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Röhre vs Transistor

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Beitrag
achgelis
Schaut ab und zu mal vorbei
#1 erstellt: 14. Jan 2006, 01:20
Hi Folks,

kann mir bitte jemand beibringen, was eigentlich der Unter-
schied zwischen der Funktion einer Röhre und eines
Transistors ist?

Ich wundere mich vom physikalischen Standpunkt sowieso,
daß die Röhre - obgleich "vakuumverpackt" glühen kann.
Wie ist denn ein glühen ohne Sauerstoff möglich? Ich dachte,
jedes Feuer benötigt Sauerstoff....

Wie kann ein Transistor die Röhre ersetzen?

Gibts vielleicht etwas zur Geschichte des Transistors, um
das richtig zu verstehen? Habe hierzu leider nichts wirklich gescheites gefunden.


Freue mich sehr auf Eure Antworten und danke jetzt schon im
Voraus.


[Beitrag von achgelis am 14. Jan 2006, 01:23 bearbeitet]
zucker
Moderator
#2 erstellt: 14. Jan 2006, 06:57
Hallo,

zur Röhre kann Dir eventl. jemand anderes etwas schreiben, da mir die Dinger nicht so recht geheuer sind. Zum Transistor möchte ich Dir aber gern etwas schreiben.

Das Wort "Transistor" sagt eigentlich schon in groben Zügen den Sinn dieses Bauteils. "To transfer" = übertragen, "resistor" = Widerstand.
"Trans" - "istor"
Ganz nüchtern betrachtet ist es ein Bauteil, daß durch Spannungs- und Stromänderungen seinen Innenwiderstand verändern kann und somit den abzunehmenden Strom in seiner Stärke steuert.
Der T hat 3 Anschlüße. Einer heißt Emitter. Der Name kommt sinnigerweise von "senden", "aussenden". Von ihm geht der Elektronenfluß aus, der durch die Basis geschleust wird. Dieser Elektronenfluß ist der "Steuerstromkreis" des T und bestimmt durch seine Stärke und die Höhe der Spannung den Stromfluß des "Laststromkreises". Er wiederum wirkt vom Emitter zum Kollektor. Kollektor sinnigerweise deshalb, weil man es mit "einsammeln" übersetzen kann.
Der Emitter "sendet" also die Elektronen, der Kollektor "sammelt" sie wieder ein.
Das Wort "Basis" hat einen historischen Hintergrund und entstand aus der Tatsache, daß dieser Anschluß beim Aufbau der ersten T in der Mitte, also der "Basis" zu finden war. Daher kommt auch das Schaltzeichen. Es war 1945, als die amerik. Physiker Bardeen, Brattain und Shockley den ersten "Spitzentransistor" entwickelten. "Spitzen-T" hat hier nix mit super zu tun, sondern mit dem Aufbau.
Dabei wurde ein Germaniumkristall mit einer Drahtspitze aus Molybdän (auch mit Antimon und Pyrit wurde experimentiert) verbunden und somit eine Diode hergestellt. Diese Technik nannte man dann "Spitzen-Diode". Beim T hat man auf beiden Seiten des Germaniums einen Draht angebracht und ihn deshalb "Spitzen-Transistor" genannt.

Bei dieser Technik ist kein hoher Stromfluß möglich. Daher hat man später den "Flächentransistor" entwickelt. Bei ihm wird das Substrat dirket in die Germaniumfläche eingearbeitet. Dazu verwendete man Indiumperlen. Das Indium wird auf beiden Seiten des Germaniums mit ihm verschmolzen. Dabei dringen die Indiumatome in das Germanium ein und bilden eine Legierung. Wenn der Abstand zwischen den beiden Legierungen nur noch ganz wenige tausendstel mm beträgt, muß mit dem Schmelzvorgang aufgehört werden. Die Legierungen stellen nun jeweils die "P" Zone , das Germanium in der Mitte die "N" Zone dar.

Später hat man dann die Diffusionstechnik angewandt. Dabei wird das Halbleitermaterial erwärmt und eine bestimmte Zeit lang einer Atmosphäre ausgesetzt, die mit Dotierungsmaterial belegt ist. Da man weiß, wieviele Störatome also Dot-Mat in diesem Gemisch enthalten sind, kann man ziemlich genau festlegen wie die Dotierung ausfallen soll und vor allem den Vorgang wiederholen. Damit ist eine Beständigkeit der Qualität möglich.

Legt man nun zwischen der untere P-Schicht (Emitter) und der N-Schicht (Basis) eine Spannung an und läßt einen Strom fließen, dann haben wir zunächst eine Diodenfunktion in Durchlassrichtung. Legt man eine 2. Spannung zwischen der unteren P Schicht (Emitter) und der oberen P Schicht (Kollektor) zusätzlich an, wobei die untere P Schicht mit "Plus", die obere P Schicht mit "Minus" belegt wird, dann entsteht beim Stromfluß vom Emitter (untere P-Schicht) zur Basis (N-Schicht), je nach Stromhöhe, ein immenses Elektronen und -löcher wandern, so daß sie an der Grenzschicht mangels Abflussmöglichkeit, Überbeschleunigung und dem negativerene Pol Kollektor nicht mehr nur durch die N Schicht, also die Basis, abfließen können, sondern auch bis zur 2. P Schicht, dem Kollektor durchdringen. Der "sammelt" dann die Überschüssen Elektronen wieder ein und somit ist ein Stromfluß vom Emitter zum Kollektor hergestellt.

Germanium hat leider eine nachteilige Eigenschaft für "Halbleiter". Es läßt einen geringen Stromfluß zu, auch rückwärts. Man nennt das "Eigenleitung" und "Leckstom". Von daher kam dann die Einbindung von Siliziumkristallen statt des Germaniums. Bei Silizium gibt es so gut wie keine Störströme.

Genau genommen ist ein T eine Doppeldiode, wobei sich beide Kathoden berühren und die Basis bilden, die beiden Anoden jeweils den Emitter und den Kollektor. Aus einer Diode ist nun also eine steuerbare Doppeldiode oder eben der PNP Transistor entstanden. Ein NPN T hätte beide Anoden an der Basis und die Kathoden bilden den Emitter bzw. den Kollektor.

Wir haben es also beim Transistor mit 2 Stromkreisen zu tun. Einmal ist es der zwischen Basis und Emitter, der andere liegt zwischen Kollektor und Emitter. Der Bezugspunkt ist hier der Emitter.
Ein geringer Stromfluß im 1. Stromkreis führt zu einem (immer im Bezug zu sehen) gewaltigen Stromfluß durch den 2. Stromkreis.
Wird der 1. Stromkreis verändert, so verändert sich auch in Größenordnungen höher der Stromfluß im 2. Stromkreis.
Die Kollektor - Emitterstrecke wird mit einem kleineren oder größerem Innenwiderstand belegt und lässt somit mehr oder weniger Laststrom zu.

Ist der Transistor als NPN ausgeführt, so werden nur die Vorzeichen der Ladungsträger, sprich Spannung und Strom umgepolt.

Hier gibt es noch ein paar weiter Ausführungen dazu.
Auch hier steht noch ein bissel was dazu.

Beide Threads beinhalten den Transistor als analogen Verstärker. Weiterhin kann er natürlich auch als Schalter angewandt werden. Das käme dann einem Digitalwert gleich, wobei nur L und H als Pegel verwandt werden.

So denn, hoffe es hat ein wenig geholfen.
Wolfgang_K.
Inventar
#3 erstellt: 14. Jan 2006, 10:38
Mal die Funktionsweise einer Röhre ganz vereinfacht dargestellt. Bei einer Röhre werden in einem erhitzen Wolframfaden Elektronen ausgesandt. Diese Elektronen wandern zu einer mit Hochspannung (bis zu 400 Volt Gleichstrom) aufgeladenen Anode. Und diesen Elektronenstrom kann man zur Verstärkung nutzen. Durch geschickte Anordnung von Gittern lässt sich dieser Elektronenstrom steuern. In einem Transistor finden die gleichen Vorgänge in einem Halbleitermaterial statt.

Ohne das Vakuum in der Röhre würde der Wolframdraht nicht glühen, sondern schlichtweg verbrennen.

Wegbereiter für die Röhren war der Amerikaner D. Forest anfang des 20. Jahrhunderts. Die Röhren waren 50 Jahre lang das Non-Plus-Ultra in der Rundfunktechnik, bis sie dann in den 60iger Jahren so langsam von den Transistoren ersetzt wurden.
safari
Hat sich gelöscht
#4 erstellt: 14. Jan 2006, 10:40

Wie ist denn ein glühen ohne Sauerstoff möglich? Ich dachte, jedes Feuer benötigt Sauerstoff....

Feuer schon, aber um Licht zu erzeugen, braucht du kein Feuer. Du musst dazu nur irgendeinen Gegenstand einige 1000 Grad heiss machen. (Optimal ist ca. 6000 Grad, das ist die Temperatur der Sonnenatmosphäre. Das gibt dann "weisses" Licht.)
achgelis
Schaut ab und zu mal vorbei
#5 erstellt: 14. Jan 2006, 11:35
Hi Folks,

Danke an alle für die Angworten, die sehr beeindruckend sind.
Vor allem die Frage der Notwendigkeit, wie an solche Erfindungen wie Röhre oder Transistor herangegangen ist; ein faszinierendes Thema. Werde es mit Sicherheit vertiefen.

achgelis
richi44
Hat sich gelöscht
#6 erstellt: 14. Jan 2006, 11:38
http://www.hifi-foru...046&postID=last#last
Hierhabe ich eben etwas über die Röhre geschrieben, kann sein, dass Dir das weiter hilft.
ruesselschorf
Inventar
#7 erstellt: 14. Jan 2006, 14:03
Der Transistor wurde 1948 von den Herren Shockley, Bardeen und Brattain bei den Bell - Labs in USA erfunden. Die Herren bekamen dann in den fünfzigern den Nobel - Preis für ihre Erfindung.
Die Bell - Telefongesellschaft betrieb zigtausende relativ unzuverlässige Röhrenverstärker für das weitverzweigte Telefonnetz und es wurde nach zuverlässigeren Alternativen gesucht.
Um den Transistor zum kommerziellen Durchbruch zu verhelfen, wurden in den 50ern relativ preiswerte Transistor - Radios verkauft (Firmen wie Fairchild und Texas-Instruments lieferten dazu die ersten Transistoren)

Man sagt, das Transistorradio verhalf dem Rock n Roll in die Schuhe - die Jugend hörte auf den preiswerten Radios ihre Musik, die die Eltern nicht hören wollten.

Bedenkt man dass heutzutage in jedem Handy zig-millionen in jedem PC milliarden Transistoren integriert sind - war die Erfindung des Transistors sicher eine der bahnbrechendsten des 20. Jahrhunderts

Gruß, Helmut

Quelle: Michael Riordan & Lillian Hoddeson, CRYSTAL FIRE, The Invention of the Transistor and the Birth of the information age ISBN 0-393-31851-6
AVBU
Stammgast
#8 erstellt: 14. Jan 2006, 14:21
hallo ruesselschorf.

Ohne das Vakuum in der Röhre würde der Wolframdraht nicht glühen, sondern schlichtweg verbrennen.


Gilt ebenso für unsere Glühbirnen.
Da hat der T. A. Edison lange rumexperimentiert bis er die Birne zum glühen brachte.

Gruß Andi
Wolfgang_K.
Inventar
#9 erstellt: 14. Jan 2006, 21:56
So eine Röhre ist eigentlich auch eine Art Teilchenbeschleuniger. Durch den Flug auf die Anode nehmen die Elektronen an Geschwindigkeit und Masse zu, durch die Zunahme der Elektronenmasse ist es physikalisch überhaupt möglich dass im Vakuum ein nutzbarer Elektronenstrom fließen kann....

Im Jahr 2005 war doch das Jahr von A. Einstein. Da sieht man einmal wieder wie hochkomplexe Theorien auch einen praktischen Nutzen haben können. Irgendwie ist das faszinierend.
richi44
Hat sich gelöscht
#10 erstellt: 15. Jan 2006, 10:53

durch die Zunahme der Elektronenmasse ist es physikalisch überhaupt möglich dass im Vakuum ein nutzbarer Elektronenstrom fließen kann....


Ich wüsste nicht, was es mit der Massezunahme zu tun hat. Elektronen sind in erster Linie negativ geladene Teilchen und diese werden durch die positive Ladung der Anode (Elektronenmangel) angezogen. Wie hoch die Geschwindigkeit der Elektronen ist, hängt in erster Linie von der Anodenspannung ab.
Und wenn da Luft wäre, würden die Elektronen in ihrem Flug behindert, sodass gar kein Stromfluss möglich wird. Hat nämlich eine Röhre Luft, kann man sie wegwerfen.
achgelis
Schaut ab und zu mal vorbei
#11 erstellt: 15. Jan 2006, 12:06
Hallo AVBU,

was die Erfindung der Glühbirne angeht könnte man glatt
eine neue Diskussionsrunde eröffnen:
Ich bin der Meinung, daß Nikola Tesla als Erfinder früher
dran war.

Viele Grüße
achgelis
ruesselschorf
Inventar
#12 erstellt: 15. Jan 2006, 13:13
Der Deutsche Heinrich Göbel hat schon um 1850 die Glühbirne erfunden. Edison, eher ein genialer Tüftler, hat dann später tausende Materialen ausprobiert um einen zuverlässigen Glühfaden zu finden.
Vieles wurde in Deutschland erfunden,so 'segensreiche' Erfindungen wie: magnetophon, Videorecorder, Raketentechnik, Atombombe - Amis und Japaner haben nicht lange gefackelt, weiterentwickelt und kommerziellen Erfolg gehabt.

Schönen Tag noch, Helmut.
Wolfgang_K.
Inventar
#13 erstellt: 15. Jan 2006, 19:09
@ Richi 44
In Bild,- und Röntgenröhren mit 30 - 120 kV Beschleunigungsspannung nehmen die Elektronen bei der Beschleunigung durch die Anode so an Masse zu, daß sie beim Abbremsen auf den Drehteller der Anode ihre Energie in Form von Röntgenstrahlung wieder abgeben. Die Zunahme beträgt der Geschwindigkeit beträgt bis zu ein drittel der Lichtgeschwindigkeit. Die Elektronen sind nahe masselos, da sind diese Effekte der Massezunahme gut meßbar. Zugegeben einer normalen Röhre sind diese Effekte äußerst gering, insofern muß ich mich da korrigieren.

PS.: Ich lasse mich gerne eines besseren belehren.
richi44
Hat sich gelöscht
#14 erstellt: 16. Jan 2006, 08:40
@ Wolfgang,
Die kinetische Energie der Elektronen ist sehr wohl von Bedeutung, zuerst einmal unabhängig von einer Massezunahme durch die Geschwindigkeit. Das habe ich bei der Tetrode beschrieben, wo aus dem Anodenblech Sekundärelektronen herausgeschlagen werden. Dieser Effekt ist also schon vor der Entdeckung der Relativitätstheorie bekannt gewesen. Nur ist nicht so genau definiert, wie hoch die kinetische Energie als solches ist und wie viel sie erhöht ist durch die Massezunahme.

Das, was Du ursprünglich geschrieben hast, dass durch die Massezunahme ein Elekrtronenstrom im Vakuum (erst) möglich sei, ist so gesehen falsch und hat mit dem hier angeführten nichts zu tun.
Ein Elektronenstrom fliesst, wenn Elektronen aus der Kathode emitiert und von der Anode angezogen werden. Richtig ist, dass die Geschwindigkeit von der positiven Anodenspannung abhängig ist. Aber die Dioden eine EABC80 werden zur Gleichrichtung der ZF-Signale eines Radios genutzt. Da liegen Spannungen von wenigen Volt an und es funktioniert. Da ist nichts mit hoher Geschwindigkeit und Massenerhöhung und Sekundärelektronen, da ist eine ganz normale Niederspannungsgleichrichtung.

Und wie ich ganz am Anfang geschrieben habe, kann man an einer solchen Diode bereits ohne Anodenspannung einen Elekltronenstrom messen, denn die emitierten Elektronen aus der Kathode landen zwangsläufig (auch) auf der Anode und nicht nur auf dem Glaskolben.
achgelis
Schaut ab und zu mal vorbei
#15 erstellt: 16. Jan 2006, 13:34
@richi44

Das habe ich bei der Tetrode beschrieben, wo aus dem Anodenblech Sekundärelektronen herausgeschlagen werden.

Bitte wo steht was über Tetrode?
Danke sehr
GoldeneZeit
Ist häufiger hier
#16 erstellt: 16. Jan 2006, 14:58

safari schrieb:

Wie ist denn ein glühen ohne Sauerstoff möglich? Ich dachte, jedes Feuer benötigt Sauerstoff....

Feuer schon, aber um Licht zu erzeugen, braucht du kein Feuer. Du musst dazu nur irgendeinen Gegenstand einige 1000 Grad heiss machen. (Optimal ist ca. 6000 Grad, das ist die Temperatur der Sonnenatmosphäre. Das gibt dann "weisses" Licht.)



Hier muss ich mal gerade wieder sprechen. Zum einen ist eine Glühtemperatur von einigen 1000 Grad viel zu hoch. Die meisten Stoffe glühen schon weit unter 1000°C.
Und weißes Licht entsteht nicht bei 6000°. Weißes Licht entsteht bei der Verbrennung/Umsetzung von bestimmten Elementen und hat nichts mit der Temperatur zu tun. Die Sonne z.b. fusioniert in ihrem Inneren Wasserstoff zu Heliumkernen und setzt so pro sekunde eine Leistund von ca. 400 Quadrillionen Watt frei...10^26 glaube ich.
Das Licht ist absolut vereinfachend nur ein "Abfallprodukt" dieses Vorgangs.
richi44
Hat sich gelöscht
#17 erstellt: 16. Jan 2006, 15:26
@ goldene zeit
http://de.wikipedia.org/wiki/Farbtemperatur
Hier ist beschrieben, welche Temperatur ein schwarzer Körper haben müsste, um in der entsprechenden Farbe zu glühen. Dass dies ein ziemlich abstrakter Begriff ist, tut nichts zur Sache.

@ achgelis
In Beitrag 6 habe ich den Link zu dem Thema gesetzt, in welchem ich die Röhren ausführlich beschreibe. Daraus der nachfolgende Text:

Der nächste Schritt war das Einfügen eines weiteren Gitters. Dieses sollte die Rückwirkung verringern oder vermeiden. Es sollte die Elektronen von der Kathode her durch das Steuergitter anziehen und beschleunigen und ihnen dabei so wenig als möglich im Weg stehen. Es sollte also die Rückwirkung der Anode abschirmen. Damit war das Schirmgitter geboren. Das neue Kind nannte sich Tetrode, weil es 4 Elemente besass. Es war (fast) die Erfüllung der Träume.
Wenn man eine Kurve zeichnet, indem das Verhältnis Anodenstrom zu Anodenspannung dargestellt wird, sieht man, dass diese Kurve sehr flach ist. Das bedeutet, dass die Anodenspannung ab einem bestimmten Wert praktisch keinen Einfluss auf den Anodenstrom hat. Nur ganz am Anfang steigt der Strom mit der Spannung stark an, aber diesen Bereich kann man ja meiden.
Nur ein Nachteil bleibt: Es gibt einen bestimmten Bereich auf der Kurve von Anodenstrom und Anodenspannung, kurz nach dem steilen Anstieg, wo der Strom mit zunehmender Spannung abnimmt. Dies geschieht, weil beim Aufprall der Elektronen auf die Anode aus diesem Blech selbst Elektronen herausgeschlagen werden. Und je höher die Anodenspannung (in diesem kleinen Bereich) desto mehr ausgeschlagene Elektronen. Weil das Schirmgitter in diesem Moment positiver als die Anode ist, werden diese "Sekundärelektronen" vom Schirmgitter angezogen und "entsorgt" sodass der Schirmgitterstrom zunimmt, der Anodenstrom sich aber verringert. Erst bei höheren Spannungen vermag die Anode wieder alle (auch die Sekundären) Elektronen anzuziehen.
safari
Hat sich gelöscht
#18 erstellt: 16. Jan 2006, 15:28
Zur Funktion der Glühlampe:
http://de.wikipedia.org/wiki/Gl%C3%BChlampe

Für weisses Licht brauchst du 6000 Grad. (Das man die technisch nicht erreicht ist eine andere Sache.) Das ist die Temperatur der Photosphäre der Sonne. Die Energie, die dort abgestrahlt wird, wird im Innern bei Temperaturen um 15 Millionen Grad durch Kernfusion erzeugt und dann in einem Diffusionsprozess nach aussen geleitet. Dabei wird aus der anfänglichen Röntgenstrahlung sichtbares Licht. Bei einer Temperatur von 6000 Grad wird das Gas dann durchsichtig und das Licht entweicht. Deshalb hat das Sonnenlicht eine Farbtemperatur von 6000 Grad.
GoldeneZeit
Ist häufiger hier
#19 erstellt: 16. Jan 2006, 16:57

richi44 schrieb:
@ goldene zeit
http://de.wikipedia.org/wiki/Farbtemperatur
Hier ist beschrieben, welche Temperatur ein schwarzer Körper haben müsste, um in der entsprechenden Farbe zu glühen. Dass dies ein ziemlich abstrakter Begriff ist, tut nichts zur Sache.


Stimmt, trotzdem danke für den Link. Wußte ich (war ja augenscheinlich) noch nicht.
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