Messungen an einem Röhrenaudion bin ich ganz zufällig auf ein
seltsames Phänomen gestoßen: Bei einer ganz bestimmten,
überstarken Position des Rückkopplungsreglers entstanden
HF-Schwingungen bei 500 MHz. Das Ergebnis war ein
Lattenzaun-ähnliches Signal mit Spitzen im Abstand der
KW-Empfangsfrequenz. Oberwellen der KW-Frequenz? Nein, denn wenn ich
den Eingangskreis kurzschließe, bleibt ein ganz sauberes
500-MHz-Signal stehen. Mit dem Rückkopplungsregler kann ich ca. 50
MHz abstimmen. Das Spektrum zeigt das Signal in unmittelbarer Nähe
eines DVBT-Senders.
Hier
ist die "bereinigte" Schaltung ohne die Zutaten eines Audions. Die
verwendete Röhre war eine chinesische 6J1, kompatibel zur EF95. Die
Schwingungen waren nur an einem Exemplar zu beaobachten, mehrere
baugleiche Rohren blieben still. Der
500-MHz-Resonator muss sich irgendwie zufällig aus den Leitungen
und den Kapazitäten der Schaltung gebildet haben. Auf den ersten
Blick ist nicht zu sehen, warum das ganze überhaupt schwingen
kann. Ich glaube, es ist ein Laufzeitoszillator, wie er bei
höheren Frequenzen mit Klystrons und Magnetrons verwendet wird.
Das
Prinzip ist so: Effektiv arbeitet die Pentode hier als Triode. Der
Anodenstrom ist von der Anodenspannung abhängig. Eine
Triodenkennlinie zeigt: Der Strom steigt mit der Spannung steil an. Das
elektrische Feld im Bereich Gitter 1 und Kathode bestimmt den Strom.
Wenn nun aber die Elektronen eine bestimmte Zeit brauchen, um zur Anode
zu gelangen, kehren sich die Verhältnisse um. Im Moment 1 war die
Anodenspannung groß, es wurden viele Elektronen auf den Weg
geschickt. Wenn sie aber an der Anode ankommen, sinkt dort die
Spannung. In diesem Moment 2 werden also weniger Elektronen von der
Kathode bestellt. Wenn die Laufzeit der Elektronen eine halbe
Schwingungsperiode beträgt, wird aus der Gegenkopplung eine
Rückkopplung. Mit der Anodenspannung kann man die Geschwindigkeit
der Elektronen und damit die Laufzeit abstimmen.
Zur
Abschätzung der Verhältnisse habe ich aus der Elektronenmasse
m und der Elektronenladung e die Elektronengeschwindigkeit v bestimmt:
½ m v² = e U
Für U=15 V ergeben sich 5.200.000 m/s
Wie weit kommt eine Welle mit 500 MHz in dieser Zeit?
s=v/f
Bei
500 MHz und einer Ausbreitungsgeschwindigkeit von 5000 km/s passt
eine Wellenlänge gerade in 1 cm. Theoretisch müsste der
Abstand Kathode-Anode also 5 mm betragen, damit bei 15 V eine
Schwingung von 500 MHz entstehen kann. Das passt! Tatsächlich ist
der Weg etwa halb so groß, weil es sich um eine beschleunigte
Bewegung der Elektronen handelt. Aber die Spannung war auch etwas
geringer eingestellt, um eine maximale Amplitude der Schwingungen zu
erhalten.
Als nächstes müsste man mal systematisch
untersuchen, ob das auch mit anderen Röhren gelingt. Interessant
ist das z.B. bei Röhrenverstärkern, denn sie könnten
versehentlich HF-Störungen aussenden.
Könnte es sein, dass sog. Barkhausen-Kurz-Schwingungen auftreten? Unter http://de.wikipedia.org/wiki/Barkhausen-Kurz-Schwingung ist
dazu einiges zu finden. Ausserdem sind unter diesem Suchbegriff auch
etliche Fundstellen in Google zu finden. Dieser Effekt trat früher
bei Röhren-Fernsehern hin und wieder in der Zeilenendröhre,
vorwiegend bei den ganz alten, die noch mit PL36 bestückt waren,
auf und äußerte sich in einem sehr feinen Moiré, was
allein dadurch schon auf eine recht hohe Frequenz schliessen ließ.
Ein PC86-(Laufzeit?)-Oszillator, von Norbert, OE9NRH
Habe
jetzt mal einen Versuch mit einer PC86 gemacht. Läuft mit 20 V
und schwingt heftig auf 70 cm. Kurios ist allerdings, dass bei ca.
30-40V die Schwingung wieder absackt und bei höheren Spannungen
wieder kommt. Hm?
(B.K.: Wenn man die Anodenzuleitung als kleine Drossel sieht, ist
es (fast) ein normaler Oszillator. Bei hoher Spannung müsste er normal laufen.
Jetzt vermute ich, dass bei 20 V gerade eine Phasendrehung von 360 Grad dazu
kommt. Bei 20 V erreicht ein Elektron 6 000 000 m/s, wegen der Beschleunigung im
Mittel 3 000 000 m/s. Eine volle Welle passt dann in 7 mm. Wenn man dann die
Spannung erhöht, passt die Phase nicht mehr richtig.)
Die Drossel war an der Kathode drin, aber beim Dreipunktoszillator ist es, egal,
ob an der Anode oder Kathode. Hier ein Bild mit der Drossel an der Anode.
Es ist dann auch rel egal wo du die dann anlötest. Drum denke ich ja auch, dass
dein Klystron ein normaler Oszillator ist. Es schwingt jedenfalls bei der PC86
immer noch, aber ich habe eine Drossel gespart! Bei der EF95 sind die
Elektrodenabstände vermute ich mal ca. 1 mm und die wären relevant. Bei der PC86
sind es nur noch ca. 70 Mikrometer.
(Du hast recht, die Abstände passen bei 500 MHz passen nicht richtig
zur Laufzeit. Aber bei 2,5 V und > 1000 MHz könnte es doch noch passen.
Vielleicht treten Laufzeiten bei jedem Oszillator irgendwie in Aktion, bei hohen
Frequenzen mehr als bei kleinen.)
Ich hatte noch die Idee, den Gitter-Kondensator zu überbrücken. Bei einer
Anodenspannung von 2,5 V (!) fließen dann 20 mA Ia (ist zulässig) und ich bringe
die Schaltung im 23-cm-Band zum Schwingen.
(Das ist ein Rekord! Bist du sicher, dass es keine Oberwelle
ist? Ist es dabei auch so, dass bei höherer Spannung die
Amplitude wieder abnimmt? Und kann man mit der Spannung die
Frequenz abstimmen? Wenn du den Gitterkondensator mit einem
Widerstand ( ca. 1k) überbrückst, kann eine höhere
Spannung getestet werden.)
Wenn ich Ua von ca. 2 bis 3 Volt
durchstimme, dann ändert die Frequenz zw. 1,5 bis 1,8 GHz (Den
alten 1 k Rgk hatte ich jetzt noch rausgenommen). Phantastisch! Wenn
ich Rg+ erhöhe und dann zw. 3-6 V durchstimme wird der
Frequenzbereich nur ganz leicht nach oben verschoben und die
Schwingungen reissen an den Grenzen schneller ab, der Abstimmbereich
wird kleiner. Noch höhere Spannungen als ca. 6V bringen keine
Schwingungen mehr, bin bis 12V raufgegangen. Der 400-MHz-Schwingkreis
wirkt irgendwie nur noch als Drossel oder so. Scheint so, als ob hier
doch röhreninterne Laufzeiten die Frequenz bestimmen. Es gibt nur
eine ganz schwache 2x Oberwelle (3-3,6 GHz), die schön
mitläuft. Der Ia war immer ca. 20 mA bei mittler Abstimmspg..
Also: Mit normaler Schaltung mit Schwingkreisfrequenz auf 70 cm und mit
Gitter auf Anodenspannung => Klystron? Scheint fast so.
Ich
habe jetzt bei Barkhausen Band 3, 6. Auflage Seite 101 nachgelesen,
wegen dem Hinweis von M.Hartmann, und die Schaltung nochmals
modifiziert. Frequenz 1,5..2,5 GHz bei 2 V...6 V, da habe ich dann
aufgehört, weil der Gitterstrom bereits 40 mA war. Diesmal sind es
aber ganz sicher Kurz-Barkhausen Schwingungen. ;-)
(Mir ist aufgefallen, dass die Frequenz genau proportional zur Wurzel aus er
Spannung ist, also proportional zur Elektronengeschwindigkeit. Ich habe versucht
es nachzubauen, aber leider ohne Erfolg, weil ich über 1 GHz nichts messen kann.
Eine EC92 habe ich auch versucht, in der Hoffnung, dass damit auch kleinere
Frequenzen gehen. Hat aber auch noch nicht geklappt. Ich bleib dran... )
Laufzeitoszillator mit der PL84
Dies
und das probiert, und jetzt funktioniert es auch bei mir. Und zwar mit
einer PL84. Kathode, Anode, Gitter 1 und Gitter 3 an Masse,
Spannung nur an Gitter 2 über einen Widerstand. Bei 820 Ohm
entsteht ein maximales (nicht sehr kräftiges) Signal mit 210 MHz!
Wenn ich den Widerstand verändere, ändern sich auch die
Gitterspannung und die Frequenz.
Das Signal kann ich bei loser Kopplung am Spectrum Analyzer sehen.
Bei 100MHz einige UKW-Sender, knapp über 200 MHz die PL84
Wenn
ich den Gitterwiderstand verkleinere, werden mehrere Frequenzen
erzeugt. Meine Vermutung ist, die Elektronen sehen dann teilweise das
Gitter 3 und teilweise die Anode als Reflektor. Das bedeutet unterschiedliche Wege und Resonanzen.
Laufzeitoszillator mit der PL504
Größere
Röhre, kleinere Frequenz. Das hat sich bei der PL504 gezeigt. Mit
ihr komme ich herab bis 140 MHz. Bei diesem Versuch habe ich die
Spannung am Gitter 2 und die an der Anode unabhängig voneinander
mit zwei Potis bis + 25 V (= Heizspannung) eingestellt. So gelingt es,
auch auf höheren Frequenzen ein sauberes Signal mit nur einem
Träger zu erzeugen.
