12.11.2023 überarbeitet. Projektbeginn 2011
In meiner Werkstatt fehlte noch ein Röhrenprüfgerät. Gebrauchte Röhrenprüfer sind recht teuer. Also entschloss ich mich für einen aus aus Elektronikschrott bestehenden Selbstbau, der einfach zu realisieren ist. Für gelegentliches Prüfen und Messen reicht er aus. Mit diesem Projekt habe ich Ende Dezember 2011 angefangen. Im Mai 2014 wurde es vorläufig abgeschlossen. Erweiterungen kamen 2023 hinzu.
Das Prinzip: Das Konzept ist sehr flexibel. Erweiterungen sind möglich. Der Röhrenprüfer besteht aus zwei stabilisierten Spannungsquellen mit einstellbarer Strombegrenzung für die Anodenspannung und Schirmgitterspannung, und einer negativen Spannungsquelle von 0 – 30 Volt für die Gitterspannung. Zudem werden 6,3 Volt und 4 Volt Wechselspannung für die Heizung erzeugt. Andere Heizspannungen stellt ein externes stabilisiertes Labornetzgerät zur Verfügung. Unter Video über die Bedienung meines selbst gebauten Röhrenprüfers gibt es Video, das neben dem Prinzip auch die praktische Bedienung erklärt.
Wie funktionieren Elektronenröhren? Das habe ich hier beschrieben.
Prinzip des Röhrenprüfers für die statische Röhrenprüfung am Beispiel einer Pentode: Laut Tabelle werden die Spannungen für die Anode, das Schirmgitter und das Steuergitter eingestellt und mit einem externen Digitalmultimeter kontrolliert. Zudem wird die richtige Heizspannung angeschlossen. Nach einer kurzen Aufwärmphase wird der Anodenstrom abgelesen, der dem Wert der Tabelle entsprechen sollte. Grün gekennzeichnet sind die Kabel mit dem Bananensteckern. Wird der Schalter an der Gitterspannung geöffnet, ist ein hochohmiger Widerstand in der Gitterleitung eingeschaltet. Steigt deshalb der Anodenstrom an, dann hat die Röhre ein schlechtes Vakuum.
Dieser indutriell hergestellte Röhrenprüfer arbeitet nach dem gleichen Prinzip der statischen Röhrenprüfung. Allerdings müssen keine Kabel gesteckt werden und die Spannungen müssen auch nicht extra eingestellt werden. Es reicht für jede Röhre eine Ziffernreihe einzustellen. Dann muss mit dem Drehspulmessintrument der Anodenstrom abgelesen werden. Ist er im grünen Bereich, wird die Röhre als brauchbar angesehen.
Früher war ein Röhrenprüfgerät Pflicht in jeder Radiowerkstatt. Röhren waren damals sehr teuer und konnten nicht einfach auf Verdacht ausgetauscht werden. Heute können wir dank digitaler Messgeräte und moderner spannungsstabilisierter Spannungsquellen sehr genaue Röhrenprüfer mit relativ geringem Aufwand selber bauen. Ich selbst war erstaunt darüber, wieviele Röhren, die ich in meiner Jugend aus alten Fernsehern gewonnen hatte, sich als defekt erwiesen. Von drei EF183 z.B. war eine vollständig unbrauchbar, da sie keinen Anodenstrom zeigte.
Dieses Projekt ist die Fortführung meines Netzgerätes von 1 – 250 Volt DC. Die Anodenspannung und die Heizspannung waren damit schon realisiert.
Messvorgang der statischen Röhrenprüfung: Die Spannungen (Heizspannung, Anodenspannung, Schirmgitterspannung, Steuergitterspannung) werden laut einer Tabelle (siehe im Text weiter unten) eingestellt und der Anodenstrom wird abgelesen. Ist dieser Anodenstrom viel zu niedrig, ist die Röhre als verbraucht einzustufen. Die Ströme und Spannungen werden mit Vielfachmessgeräten, die inzwischen sehr kostengünstig sind, abgelesen. Die Röhrenfassungen sind in in einem separaten Gehäuse untergebracht. Die Verdrahtung erfolgt mit Bananenbuchsen und Bananensteckern.
Vakuumprüfung: Dazu wird in die Steuergitterleitung ein 1-Meg-Ohm-Vorwiderstand eingeschaltet. Röhren mit schlechtem Vakuum haben einen Gitterstrom, der einen Spannungsabfall an diesem Vorwiderstand erzeugt. Die Steuergittervorspannung wird dadurch weniger negativ und der Anodenstrom steigt an. Elektronenröhren mit besonders schlechtem Vakuum leuchten im Betrieb innen blau, bevor sie endgültig verbraucht sind. Bei Leistungsröhren liegt der Gitterstrom oft nicht am schlechten Vakuum, sondern an der Gitteremission.
Kurzschlussprüfung der Elektroden: Die meisten Röhrenprüfer nehmen vor der statischen Messung eine Kurzschlussprüfung vor. Haben wir einen Ohm-Meter mit Summer, der bei Kurzschluss piepst, geht das ganz schnell. Wir schließen die eine Elektrode des Ohm-Meters an Pin1 der Fassungen an und verbinden die andere Elektrode nach und nach mit Pin 2, Pin 3 und so weiter. Dann legen wir die eine Elektrode an Pin 2 und die andere an Pin 3, Pin 4, Pin 5 und so weiter. Nun kommt die eine Elektrode an Pin 4 und so weiter. So können wir alle Kombinationsmöglichkeiten schnell und ohne Nachdenken auf mögliche Kurzschlüsse überprüfen.
Röhrendatenbuch für die statische Röhrenprüfung: Für die Prüfung muss der Anodenstrom bei den vorgegebenen Elektrodenspannungen bekannt sein. Sie können zum Beispiel dem
Röhrendatenbuch (PDF, ca. 20 MB) von AVO
entnommen werden. Ich habe mir nur einen Teil der Seiten für alle Röhren der E-, U-, und P-Reihe ausgedruckt. Ab wann eine Röhre verbraucht ist, lässt sich allgemein nicht sagen. Wird nur noch 60% des vorgegebenen Anodenstroms erreicht, ist die Röhre in den meisten Fällen zu schlecht. Die Röhrensockelbeschaltung ist zum Beispiel unter http://tdsl.duncanamps.com/tubesearch.php oder http://ds.agavaceae.ru zu erfahren. Für die wichtigsten Röhren habe ich die Röhrendaten in ein Formblatt eingetragen, aus der die notwendige Verdrahtung der Bananenstecker direkt abgelesen werden kann. Unter http://frank.pocnet.net/index.html gibt es ebenfalls Röhrendatenblätter. Wie viel % des vorgegebenen Anodenstroms die Röhre noch leistet, schreibe ich mit wasserfestem Filzstift direkt auf die Röhre, um genau zu wissen, was meine alten Röhren noch können.
Steilheit bestimmen: Bei einer NF-Endröhre z.B. die Steuergitterspannung so einstellen, dass 30 mA Anodenstrom fließen. Nun die Steuergitterspannung um 100 mV verändern. Verändert sich dadurch der Anodenstrom um 0,5 mA, hat die Röhre an diesem Arbeitspunkt eine Steilheit von 0,5 mA / 100 mV = 5 mA / Volt. Mit guten Multimetern lassen sich die Veränderungen ablesen. Von solchen Multimetern konnte man im Röhrenzeitalter nur träumen.
Grenzen einer statischen Röhrenprüfung: Die weit verbreitete statische Röhrenprüfung kann nur feststellen, ob der geforderte Anodenstrom bei den vorgegebenen Elektrodenspannungen erreicht wird. Auch wenn dies der Fall ist, kann die Röhre defekt sein, weil zum Beispiel das Vakuum unzureichend ist. Es kann z.B. auch thermische Gitteremission auftreten, welche die Messergebnisse verfälscht. Weitere mögliche Ursachen sind unter http://de.wikipedia.org/wiki/Gitterstrom beschrieben. Die unterschiedlichen Effekte können sich gegenseitig aufheben oder die Arbeitspunkteinstellung ungünstig beeinflussen. Das als PDF-Datei vorliegende englischsprachige Buch „Getting the Most out of Vaccum Tubes“ aus dem Jahr 1960 erklärt die vielfältigen Fehler, die bei einer Elektronenröhre auftreten können.
Teströhren: Ob eine Röhre wirklich ihre Aufgabe erfüllt, kann ganz einfach festgestellt werden, ob sie in der für sie vorgesehenen Schaltung funktioniert. Deshalb gab es in den damaligen Radiowerkstätten Röhrensätze mit Teströhren. Funktionierte das Radio oder die Stufe eines Radio mit der Teströhre einwandfrei, lag der Fehler nicht an der Röhre.
Röhrensockel und Röhrenfassung: Die Röhre hat einen Sockel, welcher in die Fassung gesteckt wird. Die Stiftbelegung der Sockel oder Fassungen ist immer vom Blickwinkel auf die Lötfahnen betrachtet.
Warnung: Die Bauvorschläge sind nur als unvollständige Anregungen zu verstehen. Für die elektrische Sicherheit ist jeder Nachbauer selbst verantwortlich. Die notwendigen Sicherungen sind im Schaltbild nicht eingezeichnet. Der Berührschutz ist noch nicht ausgeführt! Der hier vorgestellte Röhrenprüfer ist also noch im Experimentalstadium. Im Gerät herrschen Spannungen von zum Teil knapp über 400 Volt.
Ein Netzgerät stellt die Heizspannungen und die Spannungen für die Anode, das Schirmgitter und das Steuergitter zur Verfügung. Über einen Drehschalter können die Spannungen einem externen Multimeter zugeführt werden.
Stabilisierte Spannungsversorgung für die Anodenspannung und die Schirmgitterspannung. C ist miteinander zu verbinden. Für die bipolaren Transistoren kamen irgendwelche Kleinleistungstransistoren aus der Schrottkiste zum Einsatz.
Gitterspannungsversorgung 0 – 30 Volt. Mit S1 kann das Vakuum der Röhre getestet werden. Ein Spannungsmesser ist an den Schleifer von P2 anzuschließen. Feineinstellung der Spannung mit P1. Damit lässt sich die Gitterspannung um 100 mV verändern, um die Steilheit an einem Arbeitspunkt zu ermitteln. Diese Schaltung ist noch im Experimentierstadium, denn der Querstrom des Spannungsteilers könnte zu gering ausgefallen sein.
Röhrenprüfer geöffnet. Die meisten Bauteile stammen aus der Schrottkiste. Für eine weitere Heizspannung ist noch Platz.
Links die Schirmgitterspannungsversorgung, rechts die Gitterspannungsversorgung.
Test der Schirmgitterspannungsversorgung an einer 25-Watt-Glühbirne.
Obwohl die Schaltung recht einfach ist, war das Verdrahten sehr zeitaufwändig.
Das Chassis für die Röhrenfassungen besteht aus lackiertem Holz, da es sich leicht verarbeiten lässt.
Das Chassis mit verschiedenen Röhrenfassungen und den dazugehörigen Bananenbuchsen (Bohrungen mit 8mm-Holzbohrer, sehr hohe Drehzahl, geringer Vorschub). Für eine Pentode muss das Chassis mit sechs Kabeln mit dem Röhrenprüfer verbunden werden: 2 x Heizspannung, 1 x Kathode, 1 x Steuergitter, 1 x Schirmgitter, 1 x Anode. Eventuell kommt noch ein 7. Kabel für das Bremsgitter hinzu, welches mit der Kathode zu verbinden ist.
Zwei Fassungen sind bereits verdrahtet. Die anderen Fassungen werden nach und nach verdrahtet. Um Schwingneigung zu vermeiden, sollten die Drähte im weiten Abstand zueinander verlegt werden und sich nur im rechten Winkel kreuzen. Leider habe ich hier „geschludert“. Kabelbäume sehen zwar schön aus, sind aber ungünstig, das sie die Verkoppelung zwischen den Elektroden fördern.
Der Röhrenprüfer im Einsatz. Mit dem linken Multimeter können die Spannungen für die Anode, das Steuer- und Schirmgitter abgelesen werden. Dies Spannungen werden über einen Umschalter am Röhrenprüfer dem Multimeter zugeführt. Auf dem Drehspulinstrument rechts wird der Anodenstrom abgelesen.
Für die Prüfung muss der Anodenstrom bei den vorgegebenen Elektrodenspannungen bekannt sein. Sie können zum Beispiel dem Röhrendatenbuch (PDF, ca. 20 MB) von AVO entnommen werden. Ich habe mir nur einen Teil der Seiten für die Röhren der E-Reihe ausgedruckt. Ab wann eine Röhre verbraucht ist, lässt sich allgemein nicht sagen. Wird nur noch 60% des Anodenstroms erreicht, ist die Röhre in den meisten Fällen zu schlecht. Die Röhrensockelbeschaltung ist zum Beispiel unter http://tdsl.duncanamps.com/tubesearch.php zu erfahren.
Ansicht von oben.
Von 12 alten EF80-Pentoden, die einst ihren Dienst in den Bild-ZF-Verstärkern alter Fernsehern ihren Dienst taten, waren vier Exemplare bedenklich schlecht.
Schwingneigung unterdrücken: Durch die Verkabelung kann die Röhre anfangen zu schwingen, was die Messergebnisse verfälscht. Dies merkt man an der Handempfindlichkeit einzelner Kabel. Werden diese an ihrer Isolation berührt, ändert sich der Anodenstrom zum Teil recht kräftig. Besonders schwingfreudig sind moderne Spanngitterröhren mit ihrer hohen Steilheit.
Abhilfe gelingt durch Verlegen des Steuergitterkabels weit weg von den anderen Kabeln. Besser ist es das Steuergitterkabel abzuschirmen. Dazu habe ich RG58 Koaxialkabel genommen und es nur einseitig an der Spannungsquelle geerdet. Zusätzlich habe ich einen Ferritringkern direkt an den Steuergitteranschluss angebracht. Bei Novalsockeln ist sehr oft Pin 2 mit dem Steuergitter verbunden.
In die steckbare Zuleitung für die Steuergitterspannung hätte ich auch einen Widerstand an Stelle des Ferritringkerns einbauen können. Aber direkt an der Fassung, also dort, wo es am wirkungsvollsten wäre, geht ein Widerstand ja nicht, weil dann nicht alle Röhren geprüft werden könnten. Man stelle sich mal einen Widerstand in der Anodenzuleitung vor. Das Messergebnis wäre verfälscht. Diese Ferritringkerne für EMV-Anwendungen, welche ich einsetze, erzielen mit 7 Windungen schon 140 uH und haben schon bei 1 MHz ein sehr schlechte Güte von 15 bis 20, was in diesem Fall erwünscht ist. Denn das entspricht ja nach dem Ersatzschaltbild einer Reihenschaltung von einer Induktivität und einem Widerstand, der die HF vernichtet. Aber bei Gleichstrom existiert dieser Widerstand nicht, was für die statische Prüfung wieder gewollt ist.
Eisenpuvlerringkerne sind hingegen ungeeignet. Sie erzielen eine zu geringe Induktivität und sind mit ihren hohen Güten für Filter- und Oszillatorschaltungen konzipiert worden. Ich dachte mir schon, ob man diese Ringkerne durch Stahlmuttern ersetzen kann. Leider wird das nicht gut funktionieren, denn die Induktivität lag nur bei wenigen uH.
Hat man keine Ferritrinkgerne zur Hand, kann man es auch mit einer Reihenschaltung aus einem Kondensator und einem Widerstand zwischen den Elektroden versuchen, zum Beispiel zwischen der Anode und dem Steuergitter. Damit hätte man eine frequenzabhängige Gegenkopplung beziehungsweise eine Miller-Kapazität eingebaut. Die Kondensatoren dürfen allerdings keine Leckströme haben, da sonst wieder die statische Prüfung verfälscht wird. Es reicht auch zwischen den Elektroden 1nF-Kondensatoren zu schalten.
Ob eine Röhre schwingt, lässt sich ja leicht feststellen, da sich der Anodenstrom ändert, wenn man das Kabel zum Steuergitter berührt.
Um Schwingneigung zu unterdrücken, wurde das Steuergitterkabel als RG58-Koaxkabel ausgeführt und die Abschirmung wurde einseitig an der Spannungsquelle mit Masse verbunden.
Sehr effektiv sind Ferritringkerne direkt am Steuergitteranschluss. Bei Novalsockeln liegt er meistens am Pin 2. Kondensatoren kommen auch zum Einsatz.
Schließlich bin ich auf die Idee gekommen einen Ferritringkern direkt in das Kabel für die Steuergitterspannung auf der Röhrenseite einzubauen. Diese Ringkerne können aus alten Schaltnetzteilen ausgeschlachtet werden.
Vorsicht bei den Drehschaltern für die Umschaltung der Spannung: Über einen Drehschalter werden die Anodenspannung, die Schirmgitterspannung und die Gitterspannung auf ein Multimeter umgeschaltet. Das spart Messgeräte und Verkabelung. Bei manchen Drehschaltern entsteht allerdings für einen kurzen Moment ein Kurzschluss zwischen den Spannungsquellen während des Umschaltens. Dies kann die Spannungsquellen zerstören. Ist im ungünstigsten Fall die Steuergitterspannung auf 0 Volt eingestellt, wird die andere Spannungsquelle während des Umschaltens kurzgeschlossen, was bei mir zur Zerstörung des Potenziometers und eines Leistungs-MOS-FET führte! Die Drehschalter sind auf diese Kurzschlüsse unbedingt zu prüfen. Diese Kurzschlüsse können selbst dann auftreten, wenn die Kontakte auf verschiedenen Ebenen gewählt werden.
Nachbesserungen und Nachträge: Um 250 Volt Anodenspannung zu erreichen, wurde zusätzlich eine 12-Volt-Z-Diode eingebaut, um die Referenzspannung zu erhöhen. Mit einem Trimmpoti von 10 kOhm am Spannungseinsteller kann die maximale Spannung auf exakt 250 Volt eingestellt werden. Das ist praktisch, da viele Röhren bei 250 Volt gemessen werden.
An den Ausgängen der beiden Hochspannungsquellen habe ich zur Sicherheit Dioden 1N4007 in Serie zur Spannungsquelle geschaltet, damit Kurzschlüsse bei fehlerhaften Verdrahtungen vermieden werden, falls Ströme in entgegengesetzter Richtung in die Spannungsquellen hineinfließen.
Parallel zur Gleichrichterdiode der Gitterspannungserzeugung sollte zur Brummunterdrückung noch ein Kondensator von etwa 10 nF geschaltet werden, falls der Röhrenprüfer als Netzteil für Radioexperimente genutzt werden sollte.
Ein Ferritringkern in der Zuleitung für die Gitterspannung verhindert sehr zuverlässig Schwingneigung (siehe vorangegangenes Foto).
Ich habe mir eine Tabelle mit den wichtigsten Röhrendaten angefertigt, aus der die Verdrahtung und die Einstellungen sofort zu erkennen sind. Wenn sie vollständig ist, werde ich sie veröffentlichen.
Die Gitterspannungserzeugung ist recht hochohmig. Der abgelesene Spannungswert stimmt nur, wenn das Multimeter durch das Umschalten nicht entfernt wird. Mein Multimeter hat einen Innenwiderstand von etwa 1 MOhm.
Für die Anodenstrommessung setze ich zusätzlich noch ein Digitalmultimeter ein. Damit lässt sich, wenn die Gitterspannung leicht verändert wird, die Steilheit der Röhre leichter ermitteln.
Geplant ist noch ein kleines Regal, auf das das Netzteil gestellt wird. In das Regal, das zwei Ebenen hat, kann der Kasten mit den Röhrenfassungen gestellt werden, ohne die Kabel entfernen zu müssen. Darunter ist ein Fach für die Röhrenbücher und Datenblätter. Dann ist alles griffbereit.
Ein zusätzliches Netzteil wird noch eingebaut für die Heizspannungen, das auch auch eine Konstantstromquelle von 100 mA für die Röhren der U-Reihe beinhaltet.
Die Versorgung für die Anodenspannung bekommt einen zweiten IRF840 in Parallelschaltung, um die Verlustleistung zu verteilen, damit auch Leistungsröhren gemessen werden können.
Misst man die Steuergitterspannung und den Anodenstrom mit Digitalmultimetern, lässt sich die Steilheit an einem Arbeitspunkt recht genau bestimmen, wenn dazu die Steuergitterspannung um 100 bis 200 mV verändert wird.
Dieser Telefunken-Werbefilm aus den 1950er Jahren, welcher zum Ersatz verbrauchter Röhren animieren will, macht vielleicht Lust auf einen Röhrenprüfer.
Noch mehr Bilder:
Ausmessen einer PL36. Die Heizspannung kommt von einem externen Netzteil.
Eine PL36 aus einer alten Zeilenendstufe im Betrieb.
Eine Tabelle der wichtigsten Röhren beschleunigt das Stöpseln der Kabel und das Einstellen der Spannungen.
Der Verdrahtung ist vorerst abgeschlossen. Kabelbäume waren mir wegen möglicher Schwingneigung zu riskant. Funktion geht vor Schönheit. Farbige Drähte und Buchsen vermeiden Fehler.
Platzsparend verstaut und einsatzbereit für den nächsten Reparaturfall. Die Verdrahtung ist für die EF80, EF85 und EF89 vorbereitet.
Endlich hat der Röhrenprüfer eine Beschriftung erhalten. Platz für weitere Heizspannungsquellen ist noch vorhanden. An den Buchsen für das Voltmeter kann die Steuergitterspannung, die Schirmgitterspannung und die Anodenspannung abgegriffen werden. Die Umschaltung erfolgt mit einem Drehschalter. Mit der Vakuumprüfung wird ein 1-Meg-Ohm-Widerstand in die Gitterzuleitung geschaltet. Bei einwandfreiem Vakuum darf sich der Anodenstrom nicht ändern.
Mit etwas Farbe sieht die Röhrenprüferecke einheitlicher aus.
Alte Röhren und ihre Verwendung: Die gemessenen Anodenströme werden mit Filzstift direkt auf den Röhren dokumentiert. Das Triodensystem von 9 verschiedenen ECH81 mit einem Anodenstrom von 5 mA laut Röhrentabelle lieferte folgende Messwerte des Anodenstroms in mA: 0,0; 2,7; 3,0; 3,7; 3,7; 3,8; 3,8; 4,3; 4,8. Ein Exemplar war also auf jeden Fall defekt und lieferte selbst nach dem Reinigen der Kontaktstifte keinen Anodenstrom. Die anderen werde ich aufbewahren und in einem Röhrenradio ausprobieren, um ein Gefühl für die Leistungsfähigkeit gebrauchter Röhren zu erhalten.
Bei einer Röhre war nicht mehr erkennbar, ob es sich um eine PCL86 oder eine PCL82 handelte. Dies konnte mit dem Röhrenprüfer herausgefunden werden.
Beim Durchforsten meines Röhrenbestandes aus ausgeschlachteten Radios und Fernsehern habe ich einige eindeutig defekte Röhren gefunden und viele sehr verbrauchte. Das war eine richtige Entdeckungstour. Darunter waren auch sehr gute, die ich als Teströhren reservieren und besonders kennzeichnen werde. Sie sollen dabei helfen herauszufinden, ob es sich lohnt eine schwache Röhre gegen eine gute auszutauschen. Eine Radiowerkstatt konnte natürlich nicht auf diese Weise vorgehen und gebrauchte gegen weniger gebrauchte austauschen. War eine Röhre laut Röhrenprüfer verbraucht, wurde sie gegen eine fabrikneue ausgetauscht, wenn dies die Leistungsfähigkeit des Radios verbesserte und der Kunde bereit war die neue Röhre zu bezahlen.
Inzwischen habe ich testweise alte und neue Röhren testweise in einen Empfänger eingesetzt. Zwischen einer ECH81 mit über 90% und einer anderen mit unter 50% Anodenstrom war kein Unterschied festzustellen. Alte Röhren sollte man also nicht vorschnell entsorgen.
Davon kann ich nur träumen. Alle Achtung. Ein vollautomatisches Röhrenmessgerät mit Kennlinienschreiber für den Selbstbau von Helmut Weigl. Die Bauanleitung nebst Platinenlayouts gibt es unter http://www.roehrentest.de/.
Erweiterungen (12.11.2023): Ein Holzgriff vereinfacht das Herausziehen der Platte mit den Fassungen. Pappstreifen für jede Röhre schaffen eine schnelle Orientierung.
Diskussion über den Verlauf meines Projekts: https://www.wumpus-gollum-forum.de/forum/thread.php?board=13&thread=52&page=1. Demnach begann das Projekt im Jahr 2011. Mein Röhrenprüfer ist sicherlich einfach und rustikal gehalten. Für gelegentliche Messungen leistet es mir jedoch treue Dienste. Das Testen einer Röhre dauert etwa 15 Minuten, wenn eine neue Verkabelung notwendig ist.