Röhrenverstärker

C3. A4rkern ">Circuit_principles_von audio_tube_amplifiers[Bearbeiten> | Quellcode editieren]>

In diesem Beitrag werden nur die analogen Niederfrequenzverstärker (NF) im Bereich von ca. Ø20Hz bis Ø20.000Hz (Audiobereich) erklärt; für andere Bereiche s. z.B. unter Endstufen und Röhren. Der Röhrenverstärker ist ein Elektronenröhrenverstärker zur Signalverstärkung von niederfrequenten elektrischen Signalen.

Die Röhrenverstärker wurden mit dem Einzug der Halbleiter-Elektronik weitestgehend als Audio-Verstärker durch Verstärker-Schaltungen mit Halbleiter-Bauelementen (Transistoren) abgelöst. Allerdings werden auch heute noch Elektronröhren in Verstärker für Gitarren und einige High-Fidelity-Verstärker, vor allem im so genannten High-End-Segment, zur Pegelanzeige eingesetzt. Die zwei Grundbeispiele der NF-Verstärkerschaltung mit Röhre geben einen Überblick über deren Arbeitsweise.

Der Schaltplan stellt einen Single-Ended Pentode Single-Ended Verstärker in Kathodenbasisschaltung dar, wobei sowohl die positiven als auch die negativen Halbwellen des Eingangssignales von dieser einen Leuchtstoffröhre aufbereitet werden. Eine nahezu lineare Signalverstärkung der beiden Signalanteile ist nur möglich, wenn der Arbeitspunkt A1 auf der Ug-Ia-Kennlinie (Eingangskennlinie) der Endstufenröhre gewählt wird, die in der Mitte des geraden Kennlinienteiles steht, was zu einem ungünstigeren, höheren Ruhe-Strom durch die Röhren und einem schlechteren Wirkungsgradverlauf des Endverstärkers führt - die Einstufung der Betriebsweise des Endverstärkers ist auf die Lage dieses Betriebspunktes bezogen.

Für die Erzeugung der Rastervorspannung ist der Katodenwiderstand R2 verantwortlich, dessen Größe den Betriebspunkt der Leuchtstoffröhre vorgibt. Durch den durch R2 fliessenden Katodenstrom und den damit einhergehenden Spannungsabfall wird die Katode gegenüber dem Netz formschlüssig, die daraus entstehende Netzspannung wird abhängig vom Katodenstrom selbsttätig geregelt (statische Rückkopplung zur Arbeitspunktstabilisierung). Die Grenzfrequenz 1/(R2-C2) der negativen Rückkopplung entscheidet über die Begrenzung der Rückkopplung.

Wird C2 weggelassen, ist der Regler ebenfalls AC-gekoppelt, was sowohl die Lautstärke als auch die Verzerrung mindert. Durch den Ausgangstransformator wird der Schallwandler von der Hochspannung getrennt und die Hochimpedanz der Endstufe (5,2 kHz für eine EL84-Endpentode im Single-Ended-A-Betrieb) auf den Niederimpedanzwert eines dynam.... Vorteil des Single-Ended-Prinzips Klasse A: Einfachste Schaltungskonzeption mit wenigen Komponenten im Signalpfad.

Fehlende Geradlinigkeit, wenn (wie in der obigen Schaltung) keine negative Rückkopplung benutzt wird und der Ausgangstransformator durch den kontinuierlich fliessenden Strom der Anode auf der einen und der andere Ende magnetisiert wird. Das Verlangen nach reduzierter Verzerrung brachte die Entwicklung einer Rückkopplung mit sich. Niedriger Gesamtwirkungsgrad und hoher Stromverbrauch. Im nebenstehenden Beispiel ist das Schaltbild eines leistungsstarken und typischer Röhrenverstärkers dargestellt, dessen zwei EL34-Endpentoden nach dem Push-Pull-Prinzip funktionieren - im Unterschied zum extrem ineffizienten Single-Ended-Verstärker sind in der Endstufe zwei Röhre für die positive Spannung verantwortlich, die andere für die negative Spannung, was zu einer besseren Stromausbeute führt: Wenn eine Röhrenendstufe leitend ist, können die anderen Blöcke und der Gegentakt-Verstärker somit andere Betriebspunkte als die Class A belegen.

Zusätzlich zu den Optionen des Class-A-Betriebs ( "high quiescent current") und des Class-B-B-Betriebs ("crossover distortion at zero crossing of the signal") hat sich beim Audio-Push-Pull-Verstärker die Betriebsweise mit der vorteilhaften Lage AB des Betriebspunktes auf der oben genannten Ug/Ia-Röhrencharakteristik durchgesetzt: Durch einen geringen Ruhe-Strom können die Rohre bei niedrigen Signal-Amplituden im Class-A-Betrieb betrieben werden, mit zunehmender Modulation wechselt der Endverstärker nach und nach in den Class-B-Betrieb, bei Vollmodulation laufen die Rohre im B-Modus.

Die Endrohre werden von einem Schaltungskonzept des englischen Röhren-Spezialisten D.T.N. Williamson angesteuert, das unter dem Namen Split Load Phase Inverter mit Ansteuerstufe bekannt geworden ist: Da es keine Komplementärröhrentypen analog zu Halbleiterkomponenten gibt, muss dieser Teil der Schaltungstechnik die Phasendrehung des Eingangssignales sicherstellen - die beiden Regelgitter der Endröhre erfordern zwei amplifizierte, aber gegen Erde symmetrische, Amplituden gleiche, gespiegelte Bildsignale.

Ein Ausgangstransformator, der aufgrund des Push-Pull-Verfahrens einen Mittelabgriff auf der primärseitigen Seite haben muss, bündelt die Ausgangssignale und passt die Leistung an die niederohmigen Boxen an. Ein einstellbarer Rückkopplungsfaktor von der sekundären Seite des Transformators zur Katode der ersten Dreielektrode führt zu einer Linearisierung des Frequenzgangs und verringert den Verzerrungsfaktor und damit zu einer höheren Leistung bei guter Effizienz, einem relativ einfachen und kostengünstigen Ausgangstransformator und einer besseren Restwelligkeitstoleranz der Spannung der Anode.

Eine moderne permanente dynamische Box mit niedriger Eingangsimpedanz kann leicht an den niedrigohmigen Ausgangspegel einer Transistor-Endstufe angepasst werden. Die Niederfrequenz-Endröhre funktionierte im berühmten Volkswagen-Wechselrichter direkt auf einem Cantilever-Lautsprecher mit einer Hochimpedanz von 2000Ohm, außerdem verwendete die Fa. Philips später eine Schaltungstechnik mit unterschiedlichen Röhrenarten und den dafür in den 50er und 60er Jahren von Nöten war.

1] Das Signal wird über einen Kopplungskondensator aufgenommen und unmittelbar dem Hörer zugeführt. Sie sind sehr unwirksam in Bezug auf die verfügbare Energie, den Verbrauch der Röhren (Lebensdauer der eingesetzten Endröhren) und die Leistungsaufnahme. Daher muss die Lautsprecherspannung zwischen den Höchstwerten -20 V und +20 V liegen. Die numerischen Werte verdeutlichen die grundsätzliche Schwachstelle von Röhren für "eisenlose" Endstufen:

Nur durch Parallelschaltung einer ausreichenden Anzahl von Geräten kann der erforderliche Summenstrom von 5 Ampere erreicht werden. Zum " Abziehen " dieses Kathodenstroms muss die Lampe mit mind. 150 V Spannung gespeist werden. Allerdings werden nur 20 V für den Verstärker benötigt, der restliche Teil führt zu einer erheblichen Leistungsabgabe der beiden Elektroden und einem geringen Wirkungsgrad:

Elektronenstrahlröhren arbeiten in einem sehr breiten Frequenzband von Gleichspannung bis ca. 2000MHz, und können daher bei unsachgemäßer Auslegung zu unbeabsichtigten Schwankungen im Hochtonbereich tendieren. Kennzeichnend ist eine Schwingungsneigung wie bei der Huth-Kühn Schaltung auf sehr hohe Bässe. Die Röhrenverstärkung nimmt mit zunehmender Häufigkeit ab, so dass die minimale Verstärkung an einer Stelle nicht mehr erreicht wird und keine Vibrationen mehr auftreten können.

Auf die Steigung hat der Betriebspunkt oder der Pegelregler Einfluss: Oft wird bei -15 V (AB-Einstellung ohne Signal) keine Schwingung festgestellt, weil die Gain zu niedrig ist. Ab einer Frequenz von einigen Megahertz flimmert es jedoch. Im Hochfrequenzbereich (ab 100 kHz) hingegen erzeugt dieser eine unerwünschte RC-Tiefpassage, wobei die Kapazität des Eingangs durch den Miller-Effekt erhöht wird.

Durch die Verwendung des Halbleiterwerkstoffes Silicium, eine konsequente Fortentwicklung des Siliciumtransistors und seiner vielen Vorzüge, haben die Halbleiterkomponenten Bipolar-, Feldeffekt- und MOSFET-Transistor die Röhren in fast allen Elektronikanwendungen immer mehr abgelöst. Im Vergleich zur Elektronröhre bietet der Transformator vor allem in diesen Gebieten wesentliche Vorteile: kleine Dimensionen, kleines Eigengewicht und günstiges Kostenniveau, einfache und genügsame Spannungsversorgung bei gleichzeitig hoher Effizienz, sehr lange Standzeiten, kaum Eigenschaftsänderungen über die gesamte Nutzungsdauer, sehr gute Stromwerte der Stromtransistortypen durch ständige und kontinuierliche Nachforschungen.

Einer der größten Nachteile des Einsatzes von Elektronenstrahlröhren ist die notwendige komplexe Hochspannung, da es kaum Rohre gibt, die einen erheblichen Strom (und damit eine beträchtliche Ausgangsleistung) bei einer niedrigen Speisespannung in der Grössenordnung von 50 V bereitstellen können und auch in diesem Spannungsbereich verzerrungsfrei arbeiten. Gerade in der Leistungsröhre führen unterschiedliche chemisch-physikalische Prozesse, vor allem in der Katode, zu einem schnelleren Alterungsprozess, weshalb die Leuchtstoffröhre nach einer gewissen Betriebszeit ausgewechselt werden muss (siehe auch Elektronenröhre).

Bei einem Röhrenverstärker sind es nicht die Rohre, die die Ober- und Untergrenze des Endverstärkers ausmachen. Aufgrund der viel stärker negativen Rückkopplung und der unterschiedlichen Schaltungstopologien ist sie bei Transistorendstufen grundsätzlich wesentlich kleiner als bei Ausgängen. Aufgrund seiner Phasendrehung mindestens an den Bandbreitengrenzen muss die negative Rückkopplung von Röhrenendstufen wesentlich kleiner sein.

Darüber hinaus kommt der Topologie der Schaltung eine große Bedeutung zu: Röhrenausgangsstufen werden meist in Kathodenbasisschaltungen eingesetzt, die natürlich einen großen Ausstoßwiderstand haben. Transistor-Endstufen sind dagegen in der Regel als Kollektorschaltungen (Emitterfolger) ausgelegt, da diese bereits einen geringen Übergangswiderstand ohne externe Rückkopplung haben. Es gibt auch einen großen Vorteil, wenn die Verbindungen zwischen Endstufe und Box unterbrochen sind:

Sollte diese Leitung mit einem Röhrenverstärker bei hohen NF-Leistungen aus Versehen abgebrochen werden, zerstört die daraus resultierende große Spulenspannung den Ausgangstransformator und/oder beschädigt die Endröhre. Effektiver Überspannungsschutz von Röhren-Endstufen ist dagegen sehr aufwändig und kann in der reinen Röhrentechnik überhaupt nicht erreicht werden, weshalb er in der Anwendung kaum eingesetzt wird (ein Snubber-Netzwerk ist beileibe nicht ausreichend geschützt).

Verglichen mit Halbleitern, deren Wirkungsbereiche auf kleinstem Bauraum innerhalb eines Körpers liegen, sind Röhren aufgrund ihres konstruktiven Aufbaus resistenter gegen kurzfristige Überlastungen, radioaktive Strahlung und elektromagnetische Impulse (EMP). Die HiFi-Ära beginnt in den 1950er Jahren mit hoch entwickelten Röhrenendstufen wie dem English-Mullard 5-10, die darauf abzielen, Schallereignisse elektroakustisch so genau wie möglich wiederzugeben.

Wenige Jahre später zeigte sich der unerbittliche Triumphzug der Halbleitertechnik in der Elektronikbranche, der die Röhren-Elektronik bis auf wenige Nischenapplikationen aus dem Handel drängte. Röhrenverstärker erreichen im Gegensatz zu ihren halbleitenden Wettbewerbern in vielen Gebieten oft ein besseres Ergebnis bei der subjektiven Beurteilung ihrer Klangeigenschaften.

Einige Kritiker bezeichnen dies jedoch als "Euphemismus des Zuhörers" oder "angenehme Verzerrung" des Klanges angesichts des derzeitigen Niveaus der Halbleitertechnologie; die Produzenten von Musikaufzeichnungen sind für den wohltuenden Sound zuständig, nicht die Spieler. Andererseits sind oft nur Toningenieure mit ihrem entsprechend ausgebildeten Gehör in der Lage, die feinen Differenzen zwischen sehr gutem und exzellentem Verstärker in differenzierter und reproduzierbarer Weise aufzudecken.

Auf dem Gebiet der für den Rockmusikbereich charakteristischen Verstärker für die E-Gitarre und den E-Bass hat sich die Röhrentechnologie bis heute aus unterschiedlichen Motiven durchgesetzt: Das spezielle Charakteristikum (Soft-Clipping) des Röhrenverstärkers, dessen allmähliches Einschieben in die Signalverzerrungen beim zielgerichteten Gebrauch einer Überlast, ist als untrennbare Komponente des Instrumentes zu sehen, die dem elektrischen Instrumentalklang seinen eigenständigen Sound-Charakter gibt und nicht dazu diente, die vom Gerät produzierten Klangfarben so exakt und unverfälscht wie möglich zu verstärken.

Eine wichtige Weiterentwicklung des US-Elektroniker Harold Stephen Black von 1927 für die Schaltungstechnologie von HiFi-Verstärkern ist die Rückkopplung eines Teils des Ausgangssignales zum Eingang, wobei Verzerrungsverhalten und Frequenz-Linearität des Endverstärkers bei einer sorgfältigen Auslegung der entsprechenden Schaltglieder günstig beeinflußt werden - die Spannungs-Verstärkung wird jedoch je nach Ausmass der negativen Rückkopplung durch die negativen Phasenspannungen reduziert.

Beim Entwurf von Röhrenverstärkern für E-Gitarren verzichtet man oft auf den korrektiven, aber verstärkungsreduzierenden Einfluss der Gesamtrückkopplung von der sekundären Seite des Ausgangsübertrager über den ganzen Verstärkerbereich der E-Gitarre. Der unverwechselbare Sound des speziellen glasklaren Einsatzes der Verstärker-Elektronik ist hier nahezu wünschenswert, der berühmte Guitarrenverstärker Vox AC30 ist ein bekanntes Beispiel.

Wird der Kathodenwiderstand parallel zu einem Kondensatoren geschaltet, kann die negative Rückkoppelung und damit die Verstärkungsreduzierung reduziert werden, da sein Kapazitätswiderstand die wechselnde Spannung gegen Erde abträgt. In vielen Anwendungsfällen sorgt das Schaltungenkonzept von hochwertigen HiFi-Verstärkern für eine querstufige Spannungsrückführung von der sekundären Wicklung des Ausgangsübertrager zur Eingangstube - da der übertrager eine frequenzbedingte Phasendrehung des Signales hervorruft, kann die Überdimensionierung der Rückführung leicht die Gefährdung von unerwünschter Rückkoppelung verursachen.

Ziel der Entwicklung war es, ein triodenartiges Arbeitsverhalten unter Wahrung der typischen Pentodenvorteile wie hoher Gewinn und entsprechende Effizienz zu erreichen. Die Menge an negativer Rückkopplung ist mittelbar abhängig vom internen Widerstand des Verstärkers: Die normalerweise starken negativen Rückkopplungen der Transistor-Verstärker sind durch einen niedrigen internen Widerstand und damit einen großen Dämpfungsgrad gekennzeichnet. Röhrenverstärker dagegen benehmen sich mit einem unbedeutenden bzw.

Daraus resultiert die empfohlene Verwendung von hoch gedämpften und gleichzeitig effizienten Lautsprechern als Soundwandler. Zwischentransformatoren in den NF-Verstärkern sind Trafos mit sehr hoher Windungszahl und Induktivität. Vor etwa 1933 wurden sie oft in alten Röhrenreceivern verwendet, um die Zahl der benötigten Rohre zu reduzieren.

In der Regel waren die Trafos für eine Spannungsumwandlung von 1:3 konzipiert, bei der die primärseitige Rohrstufe eine geringe Leistungsaufnahme liefern musste. Trafos werden heute teilweise zur galvanischen Isolation und Anpassung der Impedanz eingesetzt und - zum Beispiel B. mit separat installierten Vorverstärkern und Leistungsverstärkern - zur Vermeidung von Störungen durch Erdschleifen.

Eine Elektronenröhre ist im Prinzip eine Hochimpedanz -Komponente, d.h. ihre Impedanz ist deutlich größer (mehrere Kilohm im Niederfrequenzbereich) als die von Lautsprecherboxen (meist 4 bis 16 Ohm). Für den Einsatz von meist niedrigohmigen Boxen an Röhrenverstärkern ist daher ein spezieller Niederfrequenztrafo, der Ausgangstrafo, erforderlich. HiFi-Verstärker mit hoher Bandbreite und/oder hoher Ausgangsleistung können nur durch Verschachtelung der Wicklung erreicht werden, was sie entsprechend kostspielig macht.

Die folgenden Forderungen werden an NF-Ausgangsübertrager gestellt: Kernwerkstoffe mit hoher magnetischer Flussdichte (über 1,5 Tesla) haben eine gute Geradlinigkeit. Sehr geringe Blechdicken reduzieren den Eisengehalt des Hülsenvolumens, reduzieren aber die Wirbelfrequenz. Ausgangsübertrager für Eintakt-Endstufen A sind problematisch, da in diesem Falle der Ruhe-Strom der Ausgangsröhre durch die primäre Wicklung des Ausgangsübertrager fließt und diese aufmagnetisiert.