Ludwig Paster
Technische Informationen über Röhrenverstärker und mehr
Röhre als Verstärker
Zum Betrieb einer Röhre als Verstärker kann eine Diode nicht verwendet werden. Die konsequente Weiterentwicklung der Röhrentechnik führte zur Entwicklung der Dreipolröhre, genannt Triode, danach wurden weitere Mehrpolröhren entwickelt, es soll hier lediglich die Dreipolröhre und die Fünfpolröhre, genannt Pentode, näher betrachtet werden.
Übersicht
Wirkungweise einer Dreipolrohre, genannt Triode
Wird in ein Diodensystem ein zusätzlicher Pol in Form eines Gitters zwischen Kathode und Anode eingebaut, entsteht eine Triode (Bild3). Der dritte Pol ermöglicht eine Steuerung des Elektronenstromes, deshalb wird dieser Pol Steuergitter genannt. Erst jetzt vermag eine Röhre als Verstärker zu wirken. Mit Hilfe einer negativen Steuerspannung wird der Anodenstrom beeinflusst: Ist die Steuerspannung 0 Volt, so ist der Anodenstrom am höchsten, die Elektronen passieren ungehindert das Gitter, die Röhre ist voll leitend. Wird die Steuerspannung um einige Volt negativer gestellt, so werden die Elektronen am negativen Gitter abgestoßen, der Elektronenfluss nimmt ab, bei entsprechend hoher negativer Gitterspannung bleibt der Elektronenfluss fast ganz aus, die Anodenstromstärke ist fast Null, die Röhre ist gesperrt. Das Verhältnis der Anodenstromänderung zur Gitterspannungsänderung (mA/V) wird Steilheit genannt und ist eine wichtige Kenngröße bei Verstärkerröhren.
Die Triode kann als Verstärkerelement betrachtet werden, weil eine kleine Änderung der Gitterspannung eine große Änderung des Anodenstroms zur Folge hat
Wirkungsweise einer Fünfpolrohre, genannt Pentode
Werden in einer Triode noch zusätzlich zwei weitere Gitter eingebaut, entsteht eine Pentode (Bild4). Zur Unterscheidung werden die drei Gitter "Steuer, Schirm- und Bremsgitter" oder G1, G2, G3 bezeichnet. Das Steuergitter ist identisch zur Triode, jedoch werden zwischen Steuergitter und Anode zwei weitere Gitter eingefügt, wobei das dem Steuergitter nächstliegende, das Schirmgitter, positiv vorgespannt wird. Dadurch wird die Rückwirkung der Anodenspannungsänderung im Betrieb verhindert. Das der Anode nächstliegende, das Bremsgitter, wird jedoch negativ gepolt, indem das Bremsgitter mit der Kathode verbunden wird. Durch diese Maßnahme erreicht man, das die an der Anode herausgeschlagenen sogenannten Sekundärelektronen an der Anode verbleiben und nicht zum Schirmgitter abfließen. Insgesamt weist die Pentode wesentlich höhere Steilheit gegenüber der Triode auf, dadurch sind Pentoden gefragte Verstärkerröhren, besonders für Endstufen.
Beim Betrieb einer Röhre als Verstärker werden drei Grundschaltungen (Bild 5) unterschieden, die nach den Anschlüsen einer Triode, als Kathoden, Gitter- und Anodenschaltung bezeichnet werden. Gesteuert wird bei jeder Grundschaltung zwischen Gitter und Kathode, die meist sinusförmige Eingangsspannung bewirkt eine Änderung der vorher eingestellten negativen Gitterspannung, dadurch wird im Anodenstromkreis eine große Stromänderung hervorgerufen, die ihrerseits mit Hilfe eines Arbeitswiderstandes eine Spannungsänderung bewirkt, die als verstärkte Ausgangsspannung abgegriffen werden kann. Jede Grundschaltung hat ihre Eigenschaften und Anwendungen, es soll hier die Kathodenschaltung näher betrachtet werden.
Eigenschaften der Kathodenschaltung: kleine Signaländerungen der Eingangsspannung bewirken eine große Signaländerungen der Ausgangsspannung, Das Signal erscheint verstärkt am Ausgang, außerem tritt zwischen Ein-und Ausgangsspannung eine Phasendrehung von 180° auf, weil z.B. bei der positiven Halbwelle der Eingangsspannung eine Verringerung der negativen Gitterspannung auftritt, welche zur Erhöhung des Anodenstromes führt, was wiederum zur Verringerung der Anodenspannung führt, also wird in dem erwähntem Zeitraum der positiven Eingangsspannung die Ausgangsspannung negativer. Wegen der wikungsvollen Verstärkungseigenschaften ist die Kathodenschaltung die Standard-Schaltung für Verstärkeranwendungen.
Grundsätzlicher Aufbau eines Leistungsverstärkers
Leistungsverstärker werden mehrstufig aufgebaut
Aufgaben der Stufen eines Leistungsverstärkers
Vorstufe: Vorverstärkung und eventuelle Klangregulierung des Signals
Treiber: Zwischenverstärkung und Anpassung an die Endstufe
Endstufe: Leistungsverstärkung mit meist niederohmigen Ausgang zum direkten Anschluss von Lastelementen wie z.B. Lautsprecher
Als Vorstufenröhren kommen hauptsächlich Trioden zum Einsatz (Bild 6), es werden, wegen der höheren Steilheit und somit höheren Verstärkung, aber auch Pentoden verwendet. Die höhere Verstärkung der Pentode wird jedoch mit etwas höherem Eigenrauschen der Röhre gegenüber der Triode erkauft. Zur Gewinnung der negativen Gittervorspannung wird meist ein Katodenwiderstand verwendet, dessen Spannungsabfall automatisch die gewünschte negative Gittervorspanung erzeugt, indem ein hochohmiger Gitterableitwiderstand eine Verbindung vom Gitter zu Ground herstellt. Die beiden Kondensatoren dienen zur Ein- und Auskopplung der Signale, es wird die Gleichspannung gesperrt, die Wechselspannung hingegen durchgelassen, deshalb werden sie Koppelkondensatoren genannt. Die Dimensionierung des Anoden-und Kathodenwiderstandes bestimmt den sogenannten Arbeitspunkt der Röhre, darunter versteht man die vorhergehende statische Festlegung des Anodenstromes, um später die Röhre dynamisch mit den Wechselspannungssignalen verzerrungsarm aussteuern zu können. Es werden drei Arbeitspunkte unterschieden: A, AB, und B. Bei einfachen Vorstufen wird meist der Arbeitspunkt A verwendet.
Der Arbeitspunkt "A" wird am besten in der Mitte der Kennlinie (Bild 7), also im etwa geradlinigen Teil der Kennlinie festgelegt, die hierfür erforderliche negative Gittervorspannung wird an der Kennlinie abgelesen. Ohne Eingangssignal herrschen vorerst statische Werte der negativen Gitterspannung bzw. des Anodenstromes. Wird das Eingangssignal angelegt, so wird die negative Gittervorspannung im Rhytmus der Schwingung erhöht und verringert, es entsteht eine Änderung der Gittervorspannung. Als Folge wird der Anodenstrom geändert, der mit Hilfe eines Aodenwiderstandes (auch Arbeitswiderstand genannt) in eine Spannungsänderung umgewandelt wird, das kann man sich so vorstellen: Die Stecke Anode-Kathode wirkt wie ein veränderbarer Widestand, der in Reihe zu einem konstanten Arbeitswiderstand liegt. Angenommen, der Anodenstrom wird größer, so muss der Röhrenwiderstand niederohmiger geworden sein, die Spannung parallel zur Röhre, die als Ausgangsspanung abgegriffen wird, wird kleiner. Umgekehrt wird bei kleiner werdendem Anodenstrom der Röhrenwiderstand hochohmiger, was proportional eine Erhöhung der Anodenspannung bewirkt. Die Röhre und der Arbeitswiderstand wirken wie ein Spannungsteiler, der die Betriebsspannung in zwei Teile teilt.
Die Möglichkeit einer Klangbeeinflussung wird bei Verstärkern oft gewünscht, wenn auch keine zwingende Forderung dafür besteht. Durchaus können Verstärker gut klingen, die überhaupt keine Klangregulierung besitzen, maßgeblich ist neben gut ausgelegten Verstärkern natürlich die Qualität und Ausführung des verwendeten Lautsprechers. Die beste Klangregulierung nützt nichts, wenn der verwendete Lautsprecher nichts taugt. Typische Klangregulierungen beeinflussen die tiefen und die hohen Töne, welche auch als Bass bzw. Diskant bezeichnet werden. Zum Einsatz kommt häufig eine Filterschaltung, die als Tief- und Hochpass (Bild 8) bezeichnet wird und in den Signalweg geschalten wird. Nachteilig ist, dass beim Einsatz einer Filterschaltungen eine relativ hohe Abschwächung des Signals hervorgerufen wird, die oft durch eine zusätzliche Verstärkerstufe, dem "Aufholverstärker" ausgeglichen werden muss.
Grundschaltung eines Tief- und Hochpasses
Grundschaltung eines Klangregelnetzwerks
Treiber und Phasenumkehrstufen
Zur Ansteuerung von Endstufen werden sogenannte Treiber und je nach Art der Endstufe, auch noch zusätzlich Phasenumkehrstufen verwendet. Eine Treiberstufe hat die Aufgabe, die notwendige Signalverstärkung bzw Amplitude zu erbringen, damit die Endstufe mindestens voll ausgesteuert, ja sogar übersteuert werden kann. Während bei Eintakt-Endstufen die Treiberstufe direkt die Endstufe ansteuert, ist bei Gegentakt-Endstufen noch eine Phasenumkehrstufe erforderlich. Treiberstufen sind weitgehend wie Vorstufen aufgebaut und werden, gegenüber von Vorstufen, meist mit höheren Betriebsspannungen versorgt. Eine Phasenumkehrstufe hat die Aufgabe, zwei Signale zu erzeugen, eines mit 0° Phasendrehung und das andere mit 180° Phasendrehung, um so Gegentaktendstufen ansteuern zu können.
Grundprinzip einer Phasenumkehrstufe
Grundschaltung einer Phasenumkehrstufe (Beispiel)
Eine Phasenumkehrstufe (Bild 10) ist eine abgewandelte Verstärkerstufe, die in zwei Grundschaltungen betrieben wird, einmal in Kathodenschaltung für Ausgang 180°, und gleichzeitig in Anodenschaltung für Ausgang 0°. Der Anoden- und Kathodenwiderstand besitzen den gleichen Ohm-Wert. Anstelle einer Phasenumkehrstufe mit Röhre kann auch ein Treibertransformator verwendet werden, der jedoch den Frequenzgang beeinflusst und das Gewicht des Gerätes erhöht.
Endstufenschaltungen
Die Eintakt-Endstufe (Bild 11) ist die einfachste Art, die gewünschte Ausgangsleistung an ein Lastelement (z.B.Lautsprecher) abgeben zu können. Eingesetzt werden vorzugsweise Pentoden, jedoch können, mit Abstrichen an der Leistung, auch Trioden verwendet werden. Zur Anpassung an das meist niederohmige Lastelement wird ein Ausgangsübertrager verwendet, der röhrenseitig hochohmig und last- oder ausgangsseitig niederohmig gewickelt ist. Die Eintakt-Endstufe besticht durch Einfachheit und wenige Bauteile. Die Übertragungsqualität wird in der Hauptsache vom Übertrager bestimmt, dessen Kern, wegen der Gleichstrombelastung, mit einem Spalt versehen wird, um eine magnetische Sättigung zu vermeiden. Der Arbeitspunkt wird, wie bei Vorstufen, auf Punkt "A" festgelegt, d.h. es fließt, auch ohne Aussteuerung, ständig ein mehr oder weniger großer Anodenstrom, der eine andauernde Anodenverlustleistung der Endröhre zur Folge hat. Beispiel: Auch wenn die Lautstärke komplett auf Null gestellt wird, erzeugt die Endröhre eine mehr oder weniger große Verlustleistung in Wärme, die, selbst bei Volllast, nicht wesentlich erhöht wird. Dadurch wírd die Endröhre mehr oder weniger stark belastet, was sich ungünstig auf die Lebensdauer der Röhre auswirkt. Es erscheint, dass die Eintakt-Endstufe damit unwirtschaftlich arbeitet. Trotz erwähnter Nachteile produziert die Eintakt-Endstufe geringe Verzerrungen und eignet sich hervorragend für kleine bis mittlere Leistung.
Die Gegentakt-Endstufe (Bild 12) ermöglicht wesentlich höhere Ausgangsleistung gegüber der Eintakt-Endstufe. Grundprinzip ist die Aufteilung der Signalschwingung in beide Halbwellen. Zum Betrieb sind mindestens zwei Endröhren in Form von Pentoden oder seltener Trioden notwendig. Jede Röhre verstärkt nur eine Halbwelle. Über einen besonderen Gegentakt-Ausgangsübertrager wird das verstärkte Signal wieder zusammengeführt und dem Lastelement abgegeben. Vorteilhaft ist die gegenüber der Eintakt-Endstufe die mögliche vierfach höhere Ausgangsleistung. Die Gleichströme fließen im Ausgangsübertrager gegensinnig, somit heben sich die Magnetfelder gegenseitig auf, deshalb benötigt der Übertragerkern keinen Spalt. Die Wahl des Arbeitspunktes wird häufig auf "AB" oder "B" festgelegt, um hohen Wirkungsgrad und im Ruhezustand niedrige Anodenverlustleistung zu erhalten. Von Nachteil ist die erforderliche Phasenumkehrstufe zur Ansteuerung und die gegenüber der Eintakt-Endstufe höheren Verzerrungen, besonders im Übernahmebereich, d.h. bei kleinen Lautstärken ist der Arbeitspunkt noch in einem ungünstigen, weil gekrümmten Bereich der Röhrenkennlinie. Die Gegentakt-Endstufe eignet sich hervorragend für mittlere bis große Leistungen. Um die Verzerrungen weiter zu minimieren, werden Gegentakt-Ausgangsübertrager auch mit Schirmgitteranzapfungen hergestellt, welche als "ultralinear" bezeichnet werden. Wie bei allen Verstärkerschaltungen, ist die Lage des Arbeitspunktes von großer Bedeutung, deshalb ist, z.B. nach einem Tausch der Endröhren, der Arbeitspunkt zu kontollieren und gegebenfalls neu einzustellen. Die beliebteste Methode zum Einstellen des Arbeitspunktes ist die Messung des Ruhestromes der Endröhren. Ist der Ruhestrom zu hoch, wird die negative Gittervorspannung erhöht, ist der Ruhestrom zu niedrig, wird die negative Gittervorspannung verringert. Vorteilhaft ist die Verwendung von Röhren mit etwa gleichen Kennlinien, prinzipiell können aber auch Röhren mit ungleichen Kennlinien z.B. von verschiedenen Herstellern benutzt werden, wenn an die Ausgangsleistung, Symmetrie und den Klirrgrad keine großen Ansprüche gestellt werden.
Klangeinschätzungen von Verstärkern
Die klangliche Bewertung eines Verstärkers ist rein subjektiv, also empfindet jeder Mensch den Klang anders. Die Diskusionen und Aussagen über Klänge erreichen mittlerweile oft ein Ausmaß, dass sich so mancher Entwickler noch im Grabe umdrehen würde.
Grundbetrachtungen von Klängen
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Klang ist subjektiv
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Klang hat nichts mit Lautstärke oder Ausgangsleistung zu tun
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es gibt kein Messgerät, das den Klang als gut oder schlecht anzeigt
Klangunterschiede nach Röhrentausch?
Elektronenröhren sind Gebilde aus Glas und Metall und haben kein Eigenleben. Gravierende Klang-Unterschiede sind nach einem Röhrentausch nicht zu erwarten. Unter Berücksichtigung der elektrischen Daten und der Betriebswerte verhalten sich alle Röhren ähnlich.
persönliche Klangneigung und Verstärkereinschätzungen
Klangneigungen können sich im Laufe des Lebensalters verändern. Als junger Mensch empfand ich z.B. Klänge mit reichlicher Bassbetonung als gut, jetzt, im fortgeschrittenen Alter, wird von mir der ausgewogene, also eher lineare Klang bevorzugt, jedoch mit einer mäßigen Höhenanhebung, welches mit der altersbedingten Abnahme des menschlichen Hörvermögens für hohe Töhe zusammenhängt. Besonders bei Sprachwiedegabe bewirkt ein Höhenrverlust schlechte Silbenverständlichkeit.
Grundsätzlich habe ich die Erfahrung gemacht, dass Verstärker mit möglichst wenig Stufen, aufgebaut rein mit Röhren und hochwertigen Bauelementen, ausgestattet mit wenig oder keiner Klangregulierung, kleiner bis mittlerer Ausgangsleistung, am besten klingen.