Röhren lassen sich vom Prinzip her als Regulatoren bezeichnen. Sie regulieren den Fluss der Elektronen durch einen Stromkreis und beeinflussen so die Spannung, den Strom oder gleich beides. Alle Röhren nutzen dabei den Edison-Richardson-Effekt, auch bekannt als thermionische Emission.

Das bedeutet: Beim Erhitzen bestimmter Metalle lösen sich einzelne Elektronen und lassen sich durch angelegte elektrische Spannungen gezielt aus dem Metall herausziehen.

Damit die Elektronen nicht mit Luftmolekülen oder zufälligen Staubpartikeln kollidieren, geschieht diese Emission in einem evakuierten oder mit speziellem Gas gefüllten Glaskolben.

Der zu erhitzende Teil der Röhre ist die Kathode, ihr gegenüber liegt die Anode. Sobald die Kathode durch das darunter liegende Heizelement erhitzt und zusammen mit der Anode mit Strom versorgt wird, fließen Elektronen von der Kathode zur Anode.

Selbst mit dieser recht einfachen Grundkonstruktion lassen sich in der Elektronik bestimmte Funktionen steuern und Leistungen erbringen, im Audiobereich ebenso wie bei der Erzeugung von Funkwellen.

Dazu ist es allerdings erforderlich, den Elektronenfluss zu beeinflussen. Das geschieht mit sogenannten Gittern und Schirmen.

Eine klassische Dioden-Röhre funktioniert als Regler beziehungsweise Filter für den Elektronenfluss. Sie zwingt ihn in eine einzige Richtung.

Wird Wechselstrom an die beheizte Röhre angelegt, lässt sie die Anodenspannung nur dann passieren, wenn die positive Halbwelle die Anode erreicht. Bei der negativen Halbwelle sperrt die Röhre, sie wirkt somit als Gleichrichter. In früheren Radioempfängern diente sie damit auch als Demodulator für Funkwellen.

Mit einer aus zwei Elektroden bestehenden Dioden-Röhre lassen sich Spannungen und Signale nicht verstärken, nur gleichrichten. Zur Verstärkung ist eine dritte elektronische Komponente notwendig, das Gitter. 

Dadurch entsteht eine Röhre mit drei Funktionselementen, die Triode. Das Gitter besteht aus einem Drahtgeflecht, das die Kathode umgibt und wie sie negativ geladen ist.

Bei einer hohen negativen Ladung des Gitters stößt die Kathode zwar Elektronen ab, sie sind aber aufgrund der gleichen Polarität zwischen Kathode und Gitter gefangen. Wird aber das zu verstärkende Signal in das Gitter eingespeist, ändert sich dessen negative Ladung proportional zum Eingangssignal.

Das ermöglicht einen stärkeren Elektronenfluss von der Kathode zur Anode in direktem Verhältnis zum Gitter-Eingangssignal. Das ursprüngliche Signal wird dabei nicht verstärkt, es wird durch ein Signal mit einer höheren Amplitude ersetzt.

Die Trioden-Röhre repräsentiert die einfachste Form einer Verstärkerröhre, hat aber auch einige Leistungsgrenzen. Eine davon ist die interne Kapazität zwischen Kathode und Gitter, vergleichbar mit zwei Platten eines Kondensators.

Mit zunehmendem Strom wird die Kapazität zu einem größeren Problem, sodass diese Röhren in der Regel nur in Anwendungen mit geringer Leistung eingesetzt werden, zum Beispiel zur Vorverstärkung eines Signals.

Um eine höhere Ausgangsleistung zu erzielen, sind Röhren notwendig, die das Leistungsdefizit auf die eine oder andere Weise ausgleichen.

Die einfachste Verbesserung ist die Elektronenröhre mit vier Funktionselementen. Diese Tetrode enthält neben den beiden Elektroden zusätzlich einen Schirm zwischen Kathode und Gitter, um die Kapazität zwischen diesen beiden Elementen auszugleichen.

Dabei wird das Signal gesiebt, sodass es sowohl den Schirm als auch das Gitter der Röhre durchlaufen muss, um die Anode zu erreichen. Der entscheidende Vorteil der Tetrode besteht darin, dass sie einen viel größeren Elektronenstrom erzeugen kann. Daher werden Tedroden häufig in den Leistungsstufen von Röhrenverstärkern eingesetzt.

Bei Tetroden-Röhren kann aber ein weiteres Problem auftauchen, und zwar an der Anode. Wenn Elektronen auf die Anode treffen, können sie andere Elektronen losreißen, die dann zum Gitter zurückfließen und störende Oszillationen verursachen.

Wird die Tetroden-Röhre unterhalb bestimmter Schwellenwerte verwendet, funktioniert sie in der Regel einwandfrei. Wird sie aber zu stark beansprucht, leidet darunter die Verstärkungsqualität.
Daher wurde die Pentode mit fünf Funktionselementen entwickelt. Sie enthält ein weiteres Gitter, das sogenannte Suppressor-Gitter.

Der Schirm und der Suppressor schirmen das Gitter effektiv ab und verhindern, dass sich die Kapazität auf der Kathodenseite und der negative Widerstand auf der Anodenseite verschlechtern.

Die drei ursprünglichen Komponenten funktionieren wie in der Triode. Da die Pentode die beiden häufigsten Schwächen der Triode kompensiert, wird sie häufig in Hochleistungsanwendungen eingesetzt.

Ein Beispiel ist die HF-Pentode zur Erzeugung beziehungsweise Verarbeitung von hochfrequenten elektromagnetischen Feldern.

In leistungsstarken Röhrenverstärkern für Audiosignale – von Highend-Hifi- und PA-Anlagen bis zu Gitarren- und Bassverstärkern professioneller Bühnenmusiker – finden sich immer mehrere Röhren.

Sie dienen im Allgemeinen sowohl der Gleichrichtung als auch der Vor- und Endverstärkung des Eingangssignals.

Trioden finden sich sich üblicherweise zur Vorverstärkung, um Tetroden- oder Pentoden-Röhren mit einem ausreichend aufbereiteten Signal zu speisen.