Röhrenverstärker

Ein Röhrenverstärker ist eine elektronische Schaltung zur Verstärkung von elektrischen Signalen. Als verstärkende Bauelemente werden Elektronenröhren verwendet.

Gegentakt Stereo HiFi-Röhrenverstärker ohne Netzteilelektronik - das Gerät ist pro Kanal mit jeweils 4 Röhren bestückt, eine Röhre EM83 dient der Aussteuerungsanzeige. Deutlich zu sehen ist die erhebliche Dominanz der für die Lautsprecheranpassung notwendigen Ausgangstransformatoren.

Schaltungsprinzipien von Audio-Röhrenverstärkern

Zwei grundlegende Beispiele der NF- Verstärkerschaltungstechnik mit Röhren ermöglichen einen Einblick in deren Funktionsweise.

Eintakt Verstärker Betriebsart A

Kennlinie einer Verstärkerröhre mit verschiedenen Arbeitspunkten

Der Eintaktverstärker - obiges Beispiel - zeigt das Schaltschema einer Endpentode in Kathoden-Basis Schaltung mit Ausgangsübertrager zur Impedanzanpassung (Leistungsanpassung) - verwendet für die Verstärkung der positiven und negativen Halbwellen des Signals lediglich eine einzige Röhre. Um beide Halbwellen auf der Ua/Ig-Kennlinie (Eingangskennlinie) unterzubringen liegt der Arbeitspunkt A der Verstärkerröhre ziemlich weit oben in der Mitte des geradlinigen Kennlinienteils (siehe nebenstehende Grafik), was einen ungünstigen hohen Ruhestrom durch die Röhre und einen schlechten Wirkungsgrad des Verstärkers zur Folge hat - die Klassifizierung der Betriebsart des Verstärkers bezieht sich auf die Lage dieses Arbeitspunktes.

Der Koppelkondensator C1 trennt Gleichspannungsanteile des zu verstärkenden Signals ab und verhindert damit eine Arbeitspunktverschiebung, der Widerstand R1 dient dazu, das Steuergitter gleichspannungsmäßig auf Massepotential zu halten. Der Kathodenwiderstand R2 ist zuständig für die automatische Gittervorspannungserzeugung, sein Wert bestimmt den Arbeitspunkt der Röhre. Die Kathode wird aufgrund des durch R2 fließenden Kathodenstromes und des damit verbundenen Spannungsabfalls 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 - seine Kapazität bestimmt über die Grenzfrequenz einer unerwünschten Gegenkopplung, welche 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. Ein zu groß oder zu klein dimensionierter Kathodenwiderstand R2 hat einen asymmetrischen Betrieb zur Folge, bei dem eine Halbwelle des Ausgangssignals deutlich früher in die Begrenzung gerät als die andere. Dadurch wird der nutzbare lineare Aussteuerbereich reduziert.

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 der EL84 in Eintakt-A-Pentodenbetrieb sind das z. B. 5,2 kOhm). Das Schirmgitter (mit schräg abgewinkelten Enden dargestellt) ist bei Endstufen normalerweise zwecks Begrenzung des Schirmgitterstroms über einen Widerstand an die Speisespannung der Anode (hier 250 Volt) angeschlossen und nur selten wie im Bild direkt. Das Schirmgitter dient bei Pentoden der Erhöhung des Aussteuerbereiches und der Effizienz, indem durch dessen elektrisches Feld der Anodenstrom auch bei kleinen Anodenspannungen aufrechterhalten wird.

Vorteile des Röhren-Eintaktprinzips Klasse-A: einfachstes Schaltungskonzept mit wenigen Bauteilen im Signalweg, maximale Linearität, kein Phasensplitting notwendig.
Nachteilig ist die geringe Leistungsausbeute und die hohe Verlustleistung, der hohe Anspruch an die Restwelligkeit der Anodenspannung insbesondere bei Kopfhörerverstärkern (Brummempfindlichkeit), im HiFi-Betrieb die Notwendigkeit eines aufwändigen und kostspieligen Ausgangsübertragers.

Gegentakt Verstärker Betriebsart AB

Das Beispiel auf der rechten Seite zeigt das Schaltungschema eines leistungsfähigen und typischen Röhren Audioverstärkers, dessen beide Endpentoden EL34 nach dem Gegentaktprinzip arbeiten - im Gegensatz zum Eintakt-Verstärker teilen sich in der Ausgangsstufe zwei Röhren die Verstärkungsarbeit, indem eine Röhre für die positive Halbwelle, die andere Röhre für die negative Halbwelle zuständig ist: wenn die eine Endröhre leitet, sperrt die andere und umgekehrt. Das weitreichende Funktionsprinzip wurde bereits 1912 von dem kanadischen Elektronikingenieur Edwin H. Colpitts entwickelt.
Damit ist eine günstigere Position AB des Arbeitspunktes auf der obigen Ug/Ia Röhren-Kennlinie möglich, was zu geringerem Ruhestrom, wesentlich höherer Ausgangsleistung und besserem Wirkungsgrad führt.

Angesteuert werden die Endröhren mit einem Schaltungsdesign des britischen Röhrenspezialisten D.T.N. Williamson, das unter dem Begriff Split Load Phaseninverter mit Treiberstufe bekannt geworden ist: da es in Analogie zu Halbleiterbauelementen keine komplementären Röhrentypen gibt, muss diese Schaltung für die Phasenumkehr des Eingangssignals sorgen — die beiden Steuergitter der Endröhren benötigen zwei verstärkte amplitudengleiche, spiegelbildlich um 180° phasengedrehte Signale, die symmetrisch zur Masse sind.

Das erste Triodensystem der ECC83 bewerkstelligt die notwendige Spannungsverstärkung des Eingangssignals, die zweite Triode der ECC83 ist der eigentliche Concertina (oder auch Kathodyn) Phasensplitter. An der Kathode und an der Anode der Concertina-Triode werden die beiden gegenphasigen Signale jeweils ausgekoppelt und an die beiden Treibertrioden der ECC85 weitergereicht, welche die beiden EL34 Endröhren im Gegentakt antreiben.
Für die Zusammenführung der Signale sowie die Leistungsanpassung an niederohmige Lautsprecher sorgt wiederum ein Ausgangsübertrager, der wegen des Gegentaktverfahrens auf der Primärseite über eine Mittelanzapfung verfügen muss.
Eine einstellbare Über-Alles-Gegenkopplung von der Sekundärseite des Übertragers auf die Kathode der ersten Triode linearisiert den Frequenzgang und reduziert den Klirrfaktor.

Vorteile des Röhren-Gegentaktkonzepts Klasse-AB: höhere Ausgangsleistung bei höherem Wirkungsgrad, vergleichsweise einfacher und preisgünstiger Ausgangsübertrager, günstigere Toleranz gegenüber Restwelligkeiten der Anodenspannung. Nachteilig ist das wesentlich komplexere Schaltungsdesign, bei dem ein Signal in positive und negative Halbwellen gesplittet wird, die dann getrennt verstärkt und erst danach wieder zum Gesamtsignal summiert werden, was zu Übernahmeverzerrungen führt.

Sonderform Eisenlose Endstufe

Der Anschluss eines modernen permanent-dynamischen Lautsprechers mit seinen niedrigen Impedanzwerten an den niederohmigen Ausgang einer Transistor-Endstufe ist anpassungsseitig problemlos — die hochohmige Ausgangsstufe eines Audio-Röhrenverstärkers macht hingegen fast immer eine Impedanzanpassung mit einem Niederfrequenz-Transformator (Übertrager) erforderlich.

Eine Ausnahme hiervon waren Konzepte von „eisenlosen“ OTL-Audio-Röhrenendstufen (OTL steht für OutputTransformerLess), in denen der Ausgangstransformator aus Kostengründen eingespart wurde, die sich aber aus verschiedenen Gründen später nicht durchsetzen konnten: Im bekannten Volksempfänger arbeitete die Niederfrequenz-Endröhre direkt auf einen Freischwinger-Lautsprecher mit seiner hohen Impedanz von 2000 Ohm, weiterhin hat die Firma Philips später eine Schaltung mit verschiedenen Röhrentypen und den dafür notwendigen 600-800 Ohm Lautsprechern in den 1950er und 1960er Jahren in etlichen Röhrenradios und Fernsehgeräten eingesetzt.^[1] Das Ausgangssignal wird über einen Koppelkondensator abgegriffen und direkt dem Lautsprecher zugeleitet. Philips gab das Konzept nach einigen Jahren wieder auf: Die hochohmigen Schwingspulen litten oft Schaden (Unterbrechung), der Anschluss eines externen Zweitlautsprechers war ebenfalls nicht möglich.

Mit dem Ziel einer Vermeidung der störenden Einflüsse des Übertragers auf die Signalqualität, entwickelte Mitte der fünfziger Jahre des vergangenen Jahrhunderts der US-Amerikaner Julius Futterman den ersten HiFi-Röhrenverstärker ohne Ausgangsübertrager für den Betrieb mit regulären niederohmigen Lautsprechern, dessen Konzeption später in den OTL-Verstärkerserien der Firma N.Y.A.L. (New York Audio Labs) weitergeführt wurde.

Modernere Konzepte, bei denen in der Ausgangsstufe zumeist eine Vielzahl von relativ niederohmigen Stromregelröhren parallel geschaltet werden, besetzen nach wie vor eine Nische im Markt. Diese Verstärker sind hinsichtlich ihrer verfügbaren Leistung, dem Röhrenverbrauch (Lebensdauer der verwendeten Endröhren) und der Verlustleistung sehr ineffektiv.

Gegenüberstellung Röhre - Halbleiter

Bis zur industriellen Einführung von Halbleiterbauelementen in den 1950er Jahren war die Elektronenröhre als aktives Steuerelement in allen Anwendungsbereichen der Elektronik ohne Alternative. Wegen der sehr niedrigen Transitfrequenzen der frühen Transistortypen waren ihre Einsatzmöglichkeiten zunächst sehr begrenzt - mit ihrer konsequenten Weiterentwicklung und ihren zahlreichen Vorzügen ersetzten allerdings Transistoren (Bipolar- und Feldeffekttransistoren — meist als MOS-FETs) zunehmend die Röhre in nahezu allen elektronischen Einsatzgebieten.

Zu den gravierendsten Nachteilen beim Einsatz von Elektronenröhren gehört die Notwendigkeit einer aufwändigen (Hoch-)  Spannungsversorgung, ein erheblicher Strombedarf für die Heizung der Kathode und eine vergleichsweise große Verlustleistung, die auch die Schaltungsumgebung beeinflusst. Die damit verbundene hohe Wärmeentwicklung insbesondere der Leistungsröhren löst durch verschiedene chemisch-physikalische Vorgänge im Kolbeninnern einen beschleunigten Alterungsprozess aus, weshalb die Röhre nach einer bestimmten Betriebsdauer ausgetauscht werden muss (siehe auch Elektronenröhre).

Im Vergleich zu Halbleiterbauelementen, deren aktive Gebiete sich auf engstem Raum innerhalb eines Festkörpers befinden, sind Elektronenröhren wegen ihrer mechanischen Konstruktion wesentlich widerstandsfähiger gegen kurzzeitige elektrische Überlastung, Radioaktivität und elektromagnetischen Puls (EMP). Deshalb werden sie nach wie vor auch in entsprechend gefährdeten (z. B. militärischen) Anwendungen eingesetzt.

HiFi-Verstärker

Mit hochentwickelten Röhrenverstärkern wie dem englischen Mullard 5-10 begann in den fünfziger Jahren des letzten Jahrhunderts die HiFi-Ära, die auf eine möglichst genaue elektroakustische Reproduktion von Klangereignissen abzielte. Einige Jahre später deutete sich zwar zusehends der unaufhaltsame Siegeszug der Halbleitertechnologie in der Elektronikindustrie an, der die Röhrenelektronik bis auf einige Nischenanwendungen vom Markt verdrängte — es dauerte aber noch einige Zeit, bis die ersten transistorbasierten HiFi-Verstärker an das erreichte hohe akustische Qualitätsniveau des Röhrenverstärkers anknüpfen konnten.

Erst Mitte der neunziger Jahre wurden hochwertige Audio-Röhrenverstärker in High-End-Kreisen wieder salonfähig. Im Vergleich der technischen Daten ihren halbleiterbasierten Konkurrenten in vielen Bereichen hoffnungslos unterlegen, erzielen Röhrenverstärker bei subjektiver Bewertung ihrer klanglichen Eigenschaften häufig bessere Ergebnisse. Von manchen Kritikern wird dies allerdings beim heutigen hohen Stand der Halbleitertechnik als Euphemismus 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 Hörvermögen in der Lage, die subtilen Unterschiede zwischen sehr guten und hervorragenden Verstärkern differenziert und reproduzierbar wahrzunehmen – sie attestieren hochwertigen Röhrenverstärkern häufig eine herausragende akustische Qualität. In einem aufwändigen Einzelprojekt der Technischen Universität Berlin^[2] wurde versucht, diesen Ergebnissen eine objektive Grundlage zu geben. Messtechnische Untersuchungen am eigens für das Projekt gebauten Black Cat - Röhrenverstärker zeigten einen außerordentlich niedrigen Zahlenwert des Differenztonfaktors, was eine geringe Neigung des Verstärkers zu nichtlinearen Verzerrungen bedeutet, deren Vorhandensein schon bei kleinsten Signalanteilen für eine unangenehme Hörwahrnehmung sorgt.

Aufgrund ihrer jeweils typischen Kennlinien erzeugen Röhren unterschiedliche Klirrspektren (Spektrum von Harmonischen) als Halbleiter: Trioden, Pentoden und Feldeffekttransistoren haben eine in erster Näherung quadratische Kennlinie, während Bipolartransistoren eine in erster Näherung exponentielle Kennlinie aufweisen. Die oft gehörte Behauptung, dass Trioden und Feldeffekttransistoren als unerwünschte Verzerrungsprodukte vorwiegend geradzahlige Vielfache der Grundfrequenz, bipolare Transistoren und Pentoden jedoch vorwiegend ungeradzahlige Vielfache der Grundfrequenz produzieren, ist falsch, wie Messungen an Grundschaltungen beweisen ^[3][4][5].

Bei allen Verstärkergrundschaltungen entstehen unabhängig vom verwendeten aktiven Bauelement in erster Linie Oberwellen mit doppelter Grundfrequenz und nur wenige Oberwellen höherer Ordnung. Geradzahlige Vielfache der Grundfrequenz klingen in der Wahrnehmung für viele Hörer eher „warm“ und „aufhellend“, wohingegen den ungeradzahligen Partialtönen ein eher spitzer Klang nachgesagt wird.

Instrumentalverstärker

Im Bereich der klassischen Bühnenverstärker für die in der Rockmusik typischen Instrumente E-Gitarre und E-Bass hat sich aus verschiedenen Gründen die Röhrentechnik bis heute behauptet: das besondere Verhalten (soft-clipping) des Röhrenverstärkers, sein allmählich zunehmendes Hineingleiten in die Signalverzerrung beim gezielten Einsatz einer Übersteuerung, ist als untrennbarer Bestandteil des Instruments zu betrachten, der dem E-Instrumentalsound seinen individuellen Klangcharakter verleiht und eben nicht einer möglichst exakten, unverfälschten Verstärkung der vom Instrument erzeugten Töne dient.

Der Amerikaner Aspen Pittman hat in seinem Buch The Tube Amp Book (en.) eine recht vollständige Sammlung der Schaltpläne historischer Gitarren-Röhrenverstärker veröffentlicht.^[6] Hier finden sich auch viele der hier genannten Schaltungsdetails in unterschiedlichen Varianten.

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. Im UHF-Bereich werden Inductive Output Tubes eingesetzt, die als Mischform aus Scheibenröhre und Klystron betrachtet werden können.

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.

Auch einige industrielle Anwendungen von Hochfrequenz arbeiten mit Röhren (meist Scheibentetroden); auch hier spielt die Robustheit bei Fehlanpassung eine Rolle. Beispiele sind hochfreqenzangeregte Kohlendioxidlaser hoher Leistung.

Im Mikrowellen-Bereich werden die ebenfalls vakuumelektronisch arbeitenden Magnetrons und Klystrons eingesetzt, welche jedoch nicht als Röhrensender bezeichnet werden.

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

Die elektronische Gegenkopplung (NFB-negative feedback) ist eine für die Schaltungstechnik von HiFi-Verstärkern bedeutsame Entwicklung des amerikanischen Elektronikingenieurs Harold Stephen Black aus dem Jahr 1927: ein Teil des Ausgangssignals wird in umgekehrter Phasenlage zum Eingangssignal addiert, womit bei sorgfältiger Dimensionierung der dafür zuständigen Schaltelemente Klirrverhalten und Frequenzlinearität des Verstärkers positiv beeinflusst werden – je nach Ausmaß der Gegenkopplung vermindert sich jedoch durch die gegenphasigen Spannungen die Spannungsverstärkung. Bei der Konzeption von Röhren-Bühnenverstärkern für elektrische Gitarren verzichten die Konstrukteure u.a. auch deswegen häufig auf den korrigierenden, aber verstärkungsmindernden Effekt einer Über-Alles-Gegenkopplung von der Sekundärseite des Ausgangstransformators über den gesamten Verstärkerzweig - der unnachahmliche Klang des besonderen Klirreinsatzes der Verstärkerelektronik ist hier geradezu erwünscht, der bekannte Gitarrenverstärker Vox AC30 ist ein berühmtes Beispiel.

Durch den Kathodenwiderstand in den Verstärkerstufen entsteht eine eigene Gleichstrom-Wechselstrom-Gegenkopplung, die für einen stabilen Arbeitspunkt, aber auch für eine Verstärkungsminderung sorgt - die erste ECC83-Triode des obigen Gegentaktverstärkers ist dafür ein gutes Beispiel. Durch Parallelschaltung des Kathodenwiderstands mit einem Kondensator lässt sich die Gegenkopplung und damit die Verstärkungsminderung reduzieren, da sein kapazitiver Widerstand die Wechselspannung nach Masse ableitet - ein Beispiel für diese Variante einer Gleichstromgegenkopplung ist die Kathodenbeschaltung im obigen Eintaktverstärker.

Das Schaltungskonzept hochwertiger HiFi-Verstärker sieht in vielen Fällen eine stufenübergreifende Spannungsgegenkopplung von der Sekundärwicklung des Ausgangstransformators zur Eingangsröhre vor - da der Übertrager eine frequenzabhängige Phasenverschiebung des Signals bewirkt, entsteht bei übermäßiger Dimensionierung aus der Gegenkopplung leicht die Gefahr einer unerwünschten 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 Ultra Linear- bzw. Distributed Load-Konzepts der beiden US-Amerikaner David Hafler und Herbert I. Keroes ^[7] von 1951, das auf ein Patent des englischen Ingenieurs Alan Dower Blumlein aus dem Jahr 1938 zurückgeht. Bei dieser Konfiguration wird den Schirmgittern der Endpentoden ein Teil der Anodenwechselspannung über jeweils eine Anzapfung der Primärspule des Ausgangstransformators zugeführt - dabei liegen die optimalen Ultralinearanzapfungen für die Schirmgitter einer Gegentaktendstufe bei etwa 40% der Windungszahlen der Primärwicklung, bezogen auf die Mittenanzapfung (V++ im obigen Schaltbild eines Gegentaktverstärkers) des Transformators. Wird die Lage der Anzapfung in Richtung Anodenanschluss der Endröhre verschoben, überwiegt die Triodenbetriebsart - eine Verschiebung der Schirmgitteranzapfung in die Richtung des Mittelabgriffs der Primärspule bewirkt einen Übergang in die Pentodeneinstellung.

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

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

Das Ausmaß der eingesetzten Gegenkopplung ist indirekt proportional zum Innenwiderstand des Verstärkers: die üblicherweise stark gegengekoppelten Transistorverstärker zeichnen sich durch einen geringen Innenwiderstand und somit einen hohen Dämpfungsfaktor aus.

Hingegen verhalten sich Röhrenverstärker mit einer eher geringfügigen bzw. nicht vorhandenen Gegenkopplung genau umgekehrt - daraus ergibt sich die Empfehlung, als Schallwandler hochbedämpfte und dennoch effiziente Lautsprecher zu verwenden.

Zwischenübertrager

Zwischenübertrager für NF-Verstärker sind Transformatoren mit sehr hohen Windungszahlen und Induktivitäten. Sie wurden oft in den Vorkriegsradiogeräten eingesetzt, um die Anzahl der erforderlichen Röhren zu verringern. Die Übertrager waren meist auf eine Spannungstransformation von 1:3 ausgelegt, wobei die Röhrenstufe auf der Primärseite ein geringes Maß an Leistung zu Verfügung stellen musste.

Zwischenübertrager sorgen bei modernen Geräten für eine galvanische Trennung und Impedanzanpassung und verhindern —z. B. bei getrennt aufgestellten Vor- und Endstufen— Störgeräusche durch Brummschleifen.

Gegentakt-Zwischenübertrager können bei entsprechender Ausführung die bei Gegentaktendstufen notwendige aktive Phasenumkehrstufe ersetzen: die hochohmige Sekundärwicklung hat eine an Masse liegende Mittelanzapfung, an den beiden Wicklungsenden kann das jeweils um 180° phasenverschobene Signal abgenommen werden. Diese Art der Gegentaktansteuerung ist ebenfalls in vielen Vorkriegsgeräten anzutreffen.

Ausgangsübertrager

Ein moderner Audio-Gegentakt-Ausgangstransformator

Elektronenröhren sind prinzipiell hochohmige Bauelemente, d. h. ihre Ausgangsimpedanz ist wesentlich höher (im Niederfrequenzbereich einige Kiloohm) als diejenige von Lautsprechern (üblich sind 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.

Der Betrieb von üblicherweise niederohmigen Lautsprechern an HiFi-Röhren-Audiofrequenzverstärkern erfordert einen speziell konzipierten Niederfrequenz-Transformator (den Ausgangsübertrager), welcher aufgrund der zu fordernden hohen Übertragungsqualität und der damit verbundenen Notwendigkeit von hochwertigem Materialeinsatz und hohem wicklungstechnischen Aufwand einen beträchtlichen Kostenfaktor bei der Herstellung von Röhrenverstärkern darstellt.

An NF-Ausgangstransformatoren werden folgende hohe 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 Kerns)
• Linearität des Kerns (hohe Sättigungsinduktion, bei Verstärkern im 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 Mittelanzapfung benötigen, sind Gegentaktausgangstransformatoren 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. Um die magnetische Flussdichte des Transformatorkerns zu verringern und die Sättigung des Kernmaterials hinauszuzögern benötigt der Kernwerkstoff von Ausgangsübertragern für Eintakt-A-Endstufen deswegen einen Luftspalt.

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. ↑ Projekt 'Black Cat' TU Berlin
3. ↑ Verzerrungsmessungen an einer Katodenbasisschaltung mit Triode
4. ↑ Verzerrungsmessungen an einer Emitterschaltung mit npn-Transistor
5. ↑ Verzerrungsmessungen an einer Sourceschaltung mit n-Kanal-FET
6. ↑ Aspen Pittman: The Tube Amp Book (en.), Backbeat Books 2003, ISBN 0879307676 (Information und Schaltpläne historischer Gitarren-Röhrenverstärker)
7. ↑ US Patent Application 2710312 von 1955, TIFF Browser-Plugin erforderlich

Weblinks

• Siegfried Möller: Über das richtige Anpassen von Lautsprechern und Kopfhörern.
• 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
• Moderne Hifi Röhrenverstärker, versch. Selbstbauprojekte, Tuning von Röhrenverstärker
• Hifi-Wiki, eine Gerätedatenbank
• Der Übertrager, das unbekannte Wesen
• Röhrenverstärker und Röhrenmikrofone (Trioden)erzeugen bei hohen Lautstärken Verzerrungen mit geradzahligen Harmonischen
• Beschreibungen der Varianten der Philips eisenlosen Endstufen
• Julius Futterman und sein OTL-Verstärkerprojekt (engl.)