Röhre versus Transistor

[TSF]

Michael Franz postete
Es wäre vielleicht nicht schlecht, wenn die historisch versierten User darlegen, wie denn der Umstieg von Röhre auf Transistor statt gefunden hat.

# Mit welchem Ziel wurde der Transistor entwickelt
# geplant? Zufallsergebnis?
# Welche Vorteile wurden zuerst genutzt, welche Nachteile nahm man in Kauf?
# Wie lange hat es gedauert, bis der Transistor sich durchgesetzt hat?

Ein Versuch, auf einige Fragen zu antworten:

Einen wichtigen Impulsgeber für den Übergang Röhre-Transistor hat Heribert schon angesprochen: die Entwicklung der Elektronenrechner, zuerst fürs Militär zur Berechnung ballistischer Geschoßkurven, dann natürlich unter anderem auch in der Raumfahrt. Ein wichtiger Grund hierbei ist die Miniaturisierung der Bauteile. Eine Vorstellung von der Größe der ersten, noch röhrenbestückten Rechner kann man sich hier machen:
http://ftp.arl.army.mil/ftp/historic-computers/

Das Problem dabei ist nicht so sehr die "Handlichkeit". Wir wissen ja heute, daß die Rechengeschwindigkeit eine Funktion der Taktfrequenz ist. Will man diese Frequenz steigern, stößt man schnell an physikalische Grenzen. Zum einen, weil Drähte bei hohen Frequenzen zunehmend nicht zu vernachlässigende Induktivitäten und Kapazitäten darstellen (das gilt irgendwann auch für die Drähte innerhalb einer Röhre, z. B. für die Verbindungen von den Röhrenelektroden zu den Aussenkontakten), zum anderen, weil die Ausbreitungsgeschwindigkeit eines elektrischen Signals in einem Draht nicht unendlich hoch ist. Das wird dann zum Problem, wenn ein bestimmtes Signal zeitgleich an verschiedenen Punkten einer Schaltung eintreffen muß oder umgekehrt Signale verschiedener Quellen gleichzeitig an einem Punkt zusammenkommen sollen. Wer sich die Photos in obigem Link anschaut und die Länge der Strippen sieht, wird einsehen, daß irgendwann auch die Lichtgeschwindigkeit eine endliche, einzukalkulierende Größe wird.

Der Zwang zur Miniaturisierung zum Erreichen höherer Frequenzen ergab sich bereits im "vortransistoriellen" Zeitalter. Zunächst machte man sich keine Gedanken über die optimale Form einer Röhre. Man benutzte Herstellungsverfahren, die man von der Glühbirnenfertigung her schon beherrschte. Dementsprechend sahen auch die ersten Röhren wie Glühbirnen aus. In ersten Anwendungen als Telephonverstärker, also bei Niederfrequenz, spielte das keine Rolle. Auch später, beim Rundfunk, waren noch keine Nachteile erkennbar, solange dieser auf Lang- und Mittelwelle beschränkt war. Erst mit Einbeziehung der Kurzwelle machten sich röhreninterne Induktivitäten und Kapazitäten störend bemerkbar, da ihre Größe nun nicht mehr gegenüber denen in äußeren Schaltkreisen vernachlässigbar war. Etwa 1937/38 brachten daher in Europa Philips und Telefunken kleinere Röhren mit besseren Hf-Eigenschaften heraus, bei Philips die "rote Serie" mit z.B. ECH3, EF9, bei Tfk die Stahlröhren ECH11, EF11, etc.
Die Entwicklung der militärischen Elektronik, besonders dann während des Krieges, wo man weit ins GHz-Gebiet vorstieß, bescherte uns schließlich die Bauform, die uns von Rimlock-, Noval- und Miniaturröhren aus Heimgeräten vertraut ist. Erst mit diesen Röhren war übrigens ein Rundfunk auf UKW-Frequenzen um 100 MHz möglich. Tfk's Stahlröhren schafften es "gerade so", benötigten aber für passablen Empfang mindestens eine Verstärkerstufe mehr als die späteren Novalröhren. Mit den "Glühbirnen" wäre es kaum gegangen. Das Problem waren dabei unter anderem die bauartbedingten internen Kapazitäten, die mit steigender Frequenz einen immer besseren Kurzschluß für das Eingangssignal darstellen.

Vor diesem Hintergrund eröffnete die Erfindung des Transistors Ende der vierziger Jahre neue Möglichkeiten der Miniaturisierung. An einen Zufallsfund glaube ich nicht so recht. Es war eher das Ergebnis fortschreitenden Verständnisses der Physik. Man hatte in den zwanziger Jahren mit der Quantenmechanik das mathematische Handwerkszeug geschaffen, um das Verhalten isolierter Atome korrekt zu beschreiben. Kurz danach wurde dieses Handwerkszeug auch auf Moleküle angewandt, also Gebilde bestehend aus nur wenigen Atomen, was die Mathematik gleichwohl wesentlich komplizierter machte. Ab den frühen dreißiger Jahren wurde die QM auch auf Kristalle angewandt, also Gebilde aus sehr vielen Atomen. Man hatte eine mathematische Beschreibung gefunden, in der nicht jedes Atom individuell auftreten mußte. Hiermit war nun mit einem Mal eine ganze Reihe typischer Kristalleigenschaften erklärbar, z. B. warum einige Stoffe gute elektrische Leiter sind, andere aber Isolatoren, wieder andere als Halbleiter dazwischen lagen. Man begann, den Einfluß von Fremdatomen (Verunreinigungen) zu verstehen, gelangte so zur p- und n-Dotierung, zum pn-Übergang und zum Transistor.

Erste Einsatzgebiete in der Unterhaltungselektronik waren ab den 50ern tragbare Radios. Sie lösten da Empfänger mit speziellen Batterieröhren ab, die mit den 1,3 V eines Nickel-Cadmium-Akkus beheizt werden konnten und zusätzlich eine (Einweg-)Anodenbatterie von 67,5 oder 90-100 V brauchten. Vorteil war hier ganz klar die einfachere Spannungsversorgung. Im Fernseher begann die Ablösung ab den frühen 60ern mit dem UHF-Tuner. Es folgten dann nach und nach die Zwischenfrequenz-Verstärker und der VHF-Tuner, der Video-Verstärker (im S/W-Fernseher ab etwa '66/67, im Farbfernseher Anfang der Siebziger) und ganz zuletzt, Anfang der siebziger Jahre, Ton-Endstufe, Bildkippstufe und Zeilenendstufe/Hochspannung (gilt zumindest für die westdeutsche Produktion). Eine deutliche Reduzierung des Stromverbrauchs ergab sich übrigens erst beim völligen Umstieg auf Transistoren, da in Fernsehern die Heizfäden aller Röhren in Reihe geschaltet wurden. Der Wegfall eines Heizfadens wurde oftmals einfach durch einen entsprechend höheren Heizkreis-Vorwiderstand ausgeglichen. Man gewann jedoch in punkto Zuverlässigkeit. Die Zeilen- und Vertikalablenkung des Fernsehers z.B. muß über entsprechende Synchronsignale des Senders immer wieder „angestoßen“ werden. Hier hat man es mit Impulstechnik zu tun. Verbrauchte Verstärkerröhren schleifen die Impulsflanken immer mehr ab, bis sie schließlich von nachfolgenden Stufen nicht mehr als Flanke erkannt werden. Folge ist das bekannte vertikale Durchlaufen des Bildes („Szene spielt im Paternoster“) oder die seitliche Versetzung einzelner Zeilen. Dank der langlebigeren Transistortechnik ist das Schnee von gestern.
In Heimradios und Tonbandgeräten wurde der Übergang ebenfalls in den 60ern vollzogen, wie von Markus Berzborn bereits erwähnt. Hier blieb, im Gegensatz zu Fernsehern, Mischbestückung eher selten, kam aber, z. B. bei Grundig- und Telefunken-Tonbandgeräten, gelegentlich vor.

Gruß
TSF