Ausgangsübertrager

Ein Röhrenverstärker ist eine elektronische Schaltung zur Verstärkung von elektrischen Signalen, die als aktive, das heißt verstärkende Bauelemente Elektronenröhren verwendet.

Gegentakt Stereo HiFi-Röhrenverstärker ohne Netzteilelektronik - das Gerät ist pro Kanal mit jeweils 4 Röhren bestückt, eine Röhre dient der Aussteuerungsanzeige. Deutlich zu sehen ist die erhebliche Dominanz der für die Lautsprecheranpassung notwendigen Ausgangstransformatoren.

Schematischer Aufbau

Als Beispiel ist hier der prinzipielle Aufbau eines Eintakt-A-NF-Verstärkers mit einer Pentode dargestellt (Heizung der Röhre nicht mitgezeichnet):

Kennlinie einer Verstärkerröhre mit verschiedenen Arbeitspunkten

Der Koppelkondensator C1 (etwa 10 nF) und der Widerstand R1 (etwa 1 MOhm) dienen dazu, das Steuergitter gleichspannungsmäßig auf Massepotential zu halten. R2 und C2 sind Bestandteile der sogenannten „automatischen Gittervorspannungserzeugung“; die Kathode wird aufgrund des durch R2 fließenden Kathodenstromes der Röhre gegenüber dem Gitter positiv, die daraus resultierende negative Gittervorspannung regelt sich automatisch in Abhängigkeit des Kathodenstromes (statische Gegenkopplung, Arbeitspunktstabilisierung). C2 dient der wechselspannungsmäßigen Überbrückung von R2 und verhindert eine (in diesem Falle) unerwünschte Gegenkopplung, die die Verstärkung verringert. R2 sollte für einen A-Verstärker mit einer Pentode EL84 z. B. den Wert 135 Ohm haben und erzeugt dann eine Gittervorspannung von -7,2 Volt. Bei zu großem R2 erreicht man AB-Betrieb, bei dem die negative Halbwelle des Signals den Anodenstrom vollständig unterdrückt. Dabei wird zwar der mittlere Anodenstrom verringert, durch den stärker gekrümmten Kennlinienbereich entstehen allerdings unerwünschte Verzerrungen.

Der Ausgangsübertrager (Transformator rechts oben im Bild) trennt die Last (Lautsprecher) vom Gleichstromkreis der Röhre und transformiert die geringe Lautsprecher-Impedanz (z. B. 4 Ohm) auf die hohe Ausgangsimpedanz der Röhre (bei einer EL84 in Eintakt-A-Betrieb sind das z. B. 5,2 kOhm). Das Schirmgitter (mit schräg abgewinkelten Enden dargestellt) ist bei Endstufen normalerweise direkt an die Speisespannung der Anode (hier 250 Volt) angeschlossen. Es dient bei Pentoden der Erhöhung des Aussteuerbereiches und der Effizienz, indem durch dessen elektrisches Feld der Anodenstrom auch bei kleinen Anodenspannungen aufrechterhalten wird.

Gegenüberstellung Röhre - Halbleiter

Bis zur Verbreitung von Halbleiterschaltungen ab Anfang der 1960er Jahren wurden Verstärker in allen Anwendungsbereichen in Röhrentechnik aufgebaut. Die Röhrenempfänger „Dampfradios“ aus dieser Zeit sind heute noch bei Sammlern beliebt.

Heute überwiegt die Verwendung von Halbleitern (Transistoren, ICs), denn Röhren haben in der Praxis viele Nachteile: Sie sind teurer, größer, schwerer, zerbrechlich, unterliegen dem Verschleiß und müssen daher irgendwann ersetzt werden.

Die technische Anwendung ist komplizierter: Röhren arbeiten meistens mit Betriebsspannungen von mehreren hundert Volt und entwickeln relativ viel Abwärme. Der Anschluss eines Lautsprechers an einen Röhrenverstärker kann im Allgemeinen nicht direkt erfolgen wie bei einem halbleiterbasierten Verstärker, sondern erfordert einen (ebenfalls schweren und teuren) Niederfrequenz-Transformator (Ausgangsübertrager).

„Eisenlose“ Röhrenverstärker benötigen keinen Ausgangsübertrager, ihre Konstruktion erfordert allerdings Lautsprecher mit hoher Impedanz. Dynamische Lautsprecher können nur mit Impedanzen von maximal etwa 800 Ohm gefertigt werden, Philips hat diese Schaltung in den 1950er und 1960er Jahren in vielen Geräten mit den passenden Lautsprechern eingesetzt.^[1] Dagegen waren elektromagnetische Lautsprecher in der erforderlichen Impedanzen (Kiloohm-Bereich) herstellbar; sie wurden in den 1930er Jahren in einfachen Radioempfängern eingesetzt.

Verglichen mit Halbleitern sind Röhren jedoch wesentlich unempfindlicher gegen kurzzeitige Überlastungen, die Halbleiter in Sekundenbruchteilen zerstören können.
Auch permanente Überlast wird relativ lange "ertragen", so beispielsweise, wenn in der oben dargestellten Schaltung der Arbeitspunkt, z. B. durch einen defekten Koppelkondensator, verschoben ist.

Röhrenverstärker sind im Gegensatz zu Transistorverstärkern unempfindlich gegenüber radioaktiver Strahlung und kosmischer Strahlung, zumindest erleiden sie keine irreversiblen Schäden. Sie wurden daher im militärischen Bereich und der Raumfahrt relativ lange eingesetzt.

HiFi-Verstärker

Mit hochentwickelten Röhrenverstärkern begann in den fünfziger Jahren des letzten Jahrhunderts die HiFi-Ära, die auf eine möglichst genaue akustische Reproduktion von Klangereignissen abzielte. Einige Jahre später begann zusehends der Siegeszug der Halbleitertechnologie in der Elektronikindustrie und verdrängte die etablierte Röhrentechnik endgültig vom Markt.

Erst Mitte der neunziger Jahre wurden hochwertige Audioverstärker in Röhrentechnik in High-End Kreisen wieder salonfähig. Im Vergleich der technischen Daten ihren halbleiterbasierten Konkurrenten hoffnungslos unterlegen, erzielen Röhrenverstärker bei subjektiver Bewertung ihrer klanglichen Eigenschaften häufig bessere Ergebnisse. Von manchen Kritikern wird dieses allerdings beim heutigen Stand der Halbleitertechnik als reine Einbildung der Hörer oder als eine "angenehme Verfälschung" des Klangs bezeichnet, für den angenehmen Klang seien die Hersteller von Musikaufnahmen, nicht die Hersteller der Abspielgeräte verantwortlich. Letztere sollten möglichst neutral sein.

Auf der anderen Seite sind oft nur Berufsmusiker mit ihrem qualifizierten und angemessen geschulten akustischen Bewertungssystem in der Lage, die subtilen Unterschiede zwischen sehr guten und hervorragenden Verstärkern differenziert wahrzunehmen - sie attestieren hochwertigen Röhrenverstärkern sehr häufig optimale akustische Qualitäten. ^[2]

Aufgrund der jeweiligen bauelemente-typischen Kennlinien erzeugen Röhren ein anderes Klirrspektrum (Spektrum von Harmonischen) als Halbleiter. Trioden haben eine mehr lineare Kennlinie, während bipolare Transistoren eine exponentielle Kennlinie aufweisen. Geradzahlige Harmonische (2x, 4x, 8x der Grundfrequenz) klingen für viele Hörer "warm" und "aufhellend", wohingegen den ungeradzahligen Harmonischen (3•f, 5•f, 7•f - f = Grundfrequenz) oft ein ungünstiger Einfluss auf den Gesamtklang unterstellt wird. Trioden und Feldeffekttransistoren produzieren vorwiegend geradzahlige Harmonische, bipolare Transistoren und Pentoden vorwiegend ungeradzahlige Harmonische.

Das Klirrspektrum eines Verstärkers ist auch von der Schaltungstopologie abhängig, z. B. werden die geradzahligen Harmonischen in Gegentaktverstärkern durch Symmetrie weitgehend ausgelöscht. Die unterschiedlichen Klirrspektren können einen Einfluss auf den Klang eines Verstärkers haben, sofern die Verstärker nicht durch entsprechende Maßnahmen (Gegenkopplung) ausreichend linearisiert wurden.

Insgesamt bleibt festzustellen, dass heutzutage eher die Umsetzung des Schaltungsprinzips als die Verwendung von Röhren/Transistoren für die Qualität eines Verstärkers ausschlaggebend ist, wobei das Thema oft kontrovers diskutiert wird. Da die Röhrentechnik vor allem in der "Oberklasse" eingesetzt wird, gibt es heute am Markt jedoch sehr viel mehr schlecht konstruierte Transistor- als Röhrengeräte.

Verstärker für elektrische / elektronische Musikinstrumente

Bei der Verstärkung von einigen Instrumenten, zumeist E-Bass und E-Gitarre, hat sich die Röhrentechnik bis heute behauptet. Wie im Kapitel HiFi ausgeführt, hängt der Klang des Verstärkers von der Verteilung der Harmonischen (Oberschwingungen) ab. Bei steigender Aussteuerung steigen die Amplituden der Harmonischen an. Der Röhrenverstärker dient hier nicht der möglichst exakten, unverfälschten Verstärkung der vom Instrument erzeugten Töne, sondern ist als Teil des Instruments zu sehen, der dem Klang seinen individuellen Charakter verleiht.

Siehe hierzu auch: Gitarrenverstärker

Sendeverstärker

HF-Sendeendstufen mittlerer und hoher Leistung werden auch heute noch teilweise in Röhrentechnik gebaut. Während der Bereich der Lang- und Mittelwelle von leistungsstarken Transistoren erobert wurde, ist die Röhrentechnik im UKW- und TV-Bereich bei Leistungen über 20 kW in der Anschaffung und im Unterhalt oft noch kostengünstiger.

Röhrenverstärker können kurzzeitige Fehlanpassungen oder Blitzeinschläge in die Sendeantenne ohne Schaden überstehen, während Transistorverstärker gegen solche Einwirkungen aufwändig geschützt werden müssen. Ein wichtiger Vorteil von Röhrenverstärkern gegenüber Transistorverstärkern ist die bessere Linearität, die besonders bei der Übertragung von TV-Signalen eine Rolle spielt. Bei sehr hohen Leistungen lassen sich Röhrensender deutlich kompakter aufbauen als Transistorsender.

Nachteilig bei Röhrensendern ist dagegen die begrenzte Lebensdauer (regelmäßiger Austausch der Endstufenröhren etwa alle 2 Jahre notwendig), der hohe Wartungsaufwand für die Kühlanlage (Wasserkühlung bei sehr hohen Leistungen) und die Gefährlichkeit der verwendeten hohen Betriebsspannungen. Ein Ausfall der meist einzigen Senderöhre führt in der Regel zu einem Totalausfall des Senders.

Gegenkopplung

Elektronenröhren, vor allem Trioden, haben in einem weiten Arbeitsbereich eine lineare Kennlinie. Traditionell und um teuere und aufwändige Verstärkerstufen zu sparen wurden NF-Röhrenverstärker mit geringen Gegenkopplungsfaktoren konstruiert.

In den meisten Fällen werden heute Vorstufen jeweils mit einer eigenen Stromgegenkopplung (nicht überbrückter Kathodenwiderstand) ausgeführt. Endstufen werden oft nur mit einer DC-Stromgegenkopplung zur Arbeitspunktstabilisierung versehen (mit Kondensator überbrückter Kathodenwiderstand).

Oft gibt es bei NF-Verstärkern eine stufenübergreifende Spannungsgegenkopplung von der Sekundärwicklung des Ausgangstransformators zu einer Vorstufenröhre. Diese kann jedoch nur schwach ausgeführt werden, da durch den Ausgangstransformator eine frequenzabhängige Phasenverschiebung erfolgt, wodurch die Gegenkopplung instabil wird (Rückkopplung).

Mit Aufkommen von Leistungspentoden und der zunehmenden Massenfertigung von Ausgangstransformatoren wurde mit Gegenkopplungen auf das Schirmgitter experimentiert. Entwicklungsziel war das Einstellen einer triodenähnlichen Arbeitskennlinie unter Beibehaltung der pentodentypischen Vorteile wie hohe Verstärkung und angemessener Wirkungsgrad.
Erreicht wurde dieses Ziel mit der Entwicklung des sogenannten Ultra-Linear-Konzepts der beiden Amerikaner David Hafler und Herbert I. Keroes im Jahr 1951, das auf einem bekannten Patent des englischen Ingenieurs Alan Dower Blumlein aus dem Jahr 1938 beruht. Bei dieser Konfiguration wird die Primärwicklung des Ausgangstransformators bei etwa 43% angezapft und mit dem Schirmgitter der Endröhre verbunden.

Eine Alternative zwischen traditioneller Stromgegenkopplung und der oben beschriebenen Ultralinearschaltung ist die von der Fa. Quad auf den Markt gebrachte Kathodengegenkopplung, bei der eine Sekundärwicklung des Ausgangstransformators vom Kathodenstrom der Endröhre durchflossen wird und die Kathode mit der induzierten Wechselspannung so beaufschlagt, dass sie der Steuerspannung entgegenwirkt.

Beide Gegenkopplungsarten können gleichermaßen für Eintakt- wie für Gegentaktendstufen angewendet werden.

Für sehr hohe Anforderungen vor allem an transiente Verzerrungsarmut werden in Endstufen Trioden eingesetzt. Zwar erfordern diese meistens nur eine schwache Stromgegenkopplung zur Stabilisierung des Arbeitspunktes, jedoch ist die Verstärkung gering, was erhöhte Anforderungen an die Treiberstufe stellt. Schwerer wiegt meistens die durch den Durchgriff der Röhre verursachte Restspannung: wird die Röhre durchgesteuert, also eine Gitterspannung von 0 V angelegt, sinkt infolge des Anodenstromes durch den Lastwiderstand das Anodenpotential. Die auf die Raumladungselektronen einwirkende Feldstärke sinkt proportional (eine Hilfselektrode auf Betriebsspannungspotential wie das Schirmgitter fehlt der Triode), es verbleibt bei U(G)=0 eine zumeist erhebliche Anodenrestspannung, die nicht weiter verringert werden kann.

Zum Preis eines zumeist sehr geringen Wirkungsgrades und geringer Ausgangsleistung lassen sich minimalistische Schaltungsentwürfe mit geringsten Gegenkopplungsfaktoren entwickeln. Allerdings ist durch die nahezu völlig fehlende Gegenkopplung der Dämpfungsfaktor des Lautsprechers (indirekt proportional zum Innenwiderstand des Verstärkers) gering. Daraus ergibt sich die Notwendigkeit, hochbedämpfte und dennoch effiziente Lautsprecher zu verwenden.

Zwischenübertrager

Zwischenübertrager befinden sich zwischen Vor- und Endstufe und besorgen die galvanische Trennung der Stufen. Zusätzlich passen sie die Impedanzen aneinander an und erhöhen die Gesamt-Spannungsverstärkung. Sie wurden früher eingesetzt, um die Anzahl der erforderlichen Röhren zu verringern. Zwischenübertrager für NF-Verstärker sind Transformatoren mit sehr hohen Windungszahlen und Induktivitäten. In Hochfrequenzverstärkern dienen induktiv gekoppelte Schwingkreise oder Bandfilter zur Kopplung der Stufen.

Ausgangstransformator

Ausgangsübertrager (links) wurden bei Röhrenradios oft am elektrodynamischen Lautsprecher montiert (hier für A-Endstufe, ca. 4 Watt)

Elektronenröhren sind prinzipiell hochohmige Bauelemente, d. h. ihre Ausgangsimpedanz ist wesentlich höher (im Niederfrequenzbereich einige Kiloohm) als diejenige von Lautsprechern (4 bis 16 Ohm) und auch Kabeln (50 bis 240 Ohm).

Die Anpassung von Hochfrequenz-Verstärkern an Kabelimpedanzen erfolgt durch Wicklungsanzapfungen des Ausgangsschwingkreises (Anzapfung an Windungen oder an Teillängen eines Leitungskreises), durch eine getrennte Koppel-Wicklung/Koppel-Leitungskreis (Steg) oder durch einen Pi-Filter.
Für die Anpassung von Röhren-Niederfrequenz-Verstärkern an niederohmige Lautsprecher sind Niederfrequenz-Transformatoren (Ausgangsübertrager) nötig. Diese Ausgangstransformatoren sind oft recht kompliziert aufgebaut (verschachtelte Wicklungen bei guter Isolation) und erhöhen die Kosten eines Röhrenendverstärkers beträchtlich.

An NF-Ausgangstransformatoren werden folgende Anforderungen gestellt:

• Impedanztransformation (Windungszahlverhältnis 1:30 bis 1:50)
• hohe relative Bandbreite: das Verhältnis der oberen zur unteren Grenzfrequenz beträgt etwa 200:1 (geringe Streuinduktivität durch verschachtelte Wicklungen, hohe Primärwindungszahl, hohe Permeabilität des Kernes)
• Linearität des Kernes (hohe Sättigungsinduktion, bei A-Betrieb Luftspalt)
• geringe Kupferverluste: niedrige ohmsche Widerstände der Wicklungen
• geringe Eisenverluste: wenig Ummagnetisierungs- und Wirbelstromverluste des Kernwerkstoffes
• gute Isolation (Schutz gegen Anodenspannung, bei Übersteuerung steigt die Anodenspannung periodisch auf ein Mehrfaches der Betriebsspannung an)

Die Impedanztransformation wird mathematisch durch das Quadrat des Windungszahlverhältnisses bestimmt. Weil die Impedanz eines Lautsprechers nicht konstant, sondern frequenzabhängig ist, sind der Genauigkeit der Anpassung im praktischen Betrieb jedoch Grenzen gesetzt. Die Primärinduktivität muss so hoch sein, dass sie bei der unteren Grenzfrequenz nur einen geringen Pegelabfall verursacht. Es sind mehrere Henry erforderlich.

Die relative Bandbreite ist dem Streufluss des Transformators umgekehrt proportional. Ein geringer Streufluss bedeutet gute magnetische Kopplung zwischen Primär- und Sekundärwicklung. Der Streufluss kann durch Verschachtelung der in Teilwicklungen zerlegten Primär- und Sekundärwicklungen gering gehalten werden, die Wahl eines hochpermeablen Kernmaterials wirkt sich darauf und auch auf die Größe der Primärinduktivität positiv aus.

Kernmaterialien mit erst zu hohen magnetischen Flussdichten (oberhalb 1,5 Tesla) hin einsetzender Sättigung haben eine gute Linearität. Hochpermeable Magnetwerkstoffe haben jedoch oft eine geringere Sättigungsfeldstärke. Bei Eintakt-A-Endstufen ist daher ein Luftspalt zwingend erforderlich.

Eine Minimierung der Kupferverluste erfolgt über die Wahl eines geeigneten Kerntyps und -materials, da damit der verfügbare Querschnitt für die Wicklung und die spezifische Windungsinduktivität festliegen. Eine effektive Ausnutzung der Fensterfläche für Isolierung, Wicklungen und Schirmungen ermöglicht die Verwendung großer Drahtquerschnitte und damit geringer ohmscher Widerstände.

Die Eisenverluste hängen maßgeblich von der Wahl von Kerntyp und –material ab. So verringern sehr kleine Blechstärken zwar den relativen Eisenanteil des Kernvolumens, vermindern jedoch insbesondere bei hohen Frequenzen die Wirbelströme.

Die Anordnung verschachtelter Wicklungen erhöht die Kapazität zwischen Primär- und Sekundärwicklung. Um unerwünschte kapazitive Kopplungen zu vermeiden, werden häufig isolierte, an Masse geschaltete Metallfolien zwischen die Wicklungsteile eingelegt. Diese Folien bilden eine kapazitive Abschirmung.

Obwohl sie eine Anzapfung benötigen, sind Gegentaktausgangstranformatoren einfacher in Design und Herstellung, da die Ruheströme der beiden Endröhren gegensinnig durch die beiden Primärwicklungen fließen und sich der von ihnen erzeugte magnetische Gleichfluss aufhebt. Problematischer sind Ausgangstransformatoren für Eintaktendverstärker. Da in diesem Fall der Ruhestrom der Endröhre die Primärwicklung des Ausgangstransformators durchfließt, muss der Ausgangstransformator hinsichtlich des Arbeitspunktes auf der magnetischen Kennlinie sorgfältig bemessen werden. Dabei muss die Vollaussteuerung komplexer Lasten berücksichtigt werden. Geblechte Kerne von Ausgangsübertragern für Eintakt-A-Endstufen sind immer mit einem Luftspalt versehen.

Eine wenig sinnvolle Alternative sind eisenlose Endstufen, bei denen zumeist eine Vielzahl relativ niederohmiger Elektronenröhren (häufig Stromregelröhren) parallel geschaltet wird. Das Ausgangssignal wird über einen Koppelkondensator abgegriffen und direkt dem Lautsprecher zugeleitet. Diese Verstärker sind hinsichtlich ihrer verfügbaren Leistung, dem Röhrenverbrauch (Lebensdauer der verwendeten Endröhren) und der Verlustleistung sehr uneffektiv.

Eine andere Möglichkeit, das Gleichfeld im Ausgangstransformator einer Eintakt-Endstufe zu umgehen, ist die Drosselkopplung. Anstelle der Primärwicklung im Anodenstromkreis wird eine hochinduktive Drossel zur Zuführung des Anodenruhestromes in den Anodenstromkreis geschaltet. Über diese, zumeist mit einem Luftspalt versehenen Drossel fällt neben der aus den primären Kupferverlusten herrührenden unvermeidlichen Gleichspannung die Anodenwechselspannung ab. Sie wird über einen Koppelkondensator dem Ausgangstransformator zugeführt. Zwar ist ein weiteres relativ großes und schweres Bauelement vonnöten, jedoch wird der Ausgangstransformator von Gleichfeldern freigehalten.

Quellenangaben

1. ↑ Weitergehende Informationen zur eisenlosen Endstufe
2. ↑ Röhrenverstärkerprojekt Technische Universität-Berlin

Weblinks

• Umrechnung THD: Klirrdämpfung ak in dB nach Klirrfaktor k in %
• Mißverständnisse um Röhren
• Dokumente rund um die Röhrentechnik, Geschichtliches, aktuelles und Amüsantes
• Größte deutschsprachige Seite zu Röhren und ihren Anwendungen, eigenes Forum