Fachbereichsarbeit in Physik: Alte Technik in modernen Verstärkern

BG/BRG Linz, Ramsauerstraße
Reifeprüfung Mai, Juni 2010
Fachbereichsarbeit in Physik: Alte Technik in
modernen Verstärkern
Elektronenröhren in Gitarrenverstärkern
Verfasst von Alexander Ordosch, 8N, 2009/2010
Vorgelegt bei OStR Mag. Dietmar Hanz
Erklärung
Ich erkläre, dass ich die Fachbereichsarbeit ohne fremde Hilfe verfasst und dazu die
angegebene Literatur verwendet habe. Außerdem habe ich die Arbeit einer Korrektur
unterzogen und Tippfehler ausgebessert.
Datum
(Abgabetermin)
25.01.2010
Unterschrift
Vorwort:
Das Thema, das ich gewählt habe, mag wohl nicht mehr gebräuchlich sein. Es gab aber
Zeiten, in denen diese Technik unerlässlich war. In der Radio-, Fernseh-, Raumfahrt- und
Militärtechnik fanden Elektronenröhren Verwendung. Heute erfreut sich die Röhre nur
mehr großer Beliebtheit bei Gitarristen, die diesen Bauteil wegen des „Röhrensound“
schätzen. Viele Generationen von Gitarristen sind mit solchen Röhrenverstärkern von
Fender, Marshall, Vox und Weiteren aufgewachsen und berühmt geworden.
Ich konnte das Phänomen „Röhrensound“ zum ersten Mal erleben, als ein Freund, ein
begnadeter Bassist und Gitarrist, seinen Gitarrenverstärker wegen eines Defektes
austauschen musste. Aus diesem Grund lieh ihm ein Bekannter einen Peavey Classic 30,
einen „reinrassigen“ Röhrenamp (Amp1 = Verstärker). Als wir wieder einmal zu zweit in
die Seiten schlugen, wunderte ich mich über den neuen Amp. Ich hatte keine großen
Erwartungen, wurde dann aber vom Sound äußerst positiv überrascht. Nach ein paar
Riffs kam der Wow-Effekt, weil der Klang alles in den Schatten stellte, was ich jemals
zuvor gehört hatte. Aber nicht nur ich war begeistert, auch mein Freund und dessen
Brüder waren davon äußerst angetan.
Da drängte sich mir natürlich die Frage auf, warum dieser Amp so gut klingt. Als wir uns
darüber unterhielten und über die Ursachen für den tollen Klang diskutierten, meinte
mein Freund: „Ist ja klar, ist ja ein Röhrenverstärker!“. Von da an waren die
Begeisterung und das Interesse an Röhrenverstärkern und natürlich an deren Bauteil
„Elektronenröhre“ bei mir geweckt.
Nach einigen Nachforschungen zum Thema „Phänomen Röhre“, kam mir die Idee, dass
es doch möglich sein müsste, einen kleinen Röhren-Amp selbst zu bauen. Natürlich
entsteht so ein Projekt nicht über Nacht und so begann ich, mich systematisch in die
ganze Thematik mit ausgewählter Fachliteratur einzulesen. Nach einigen Recherchen
entschied ich mich, einen Bausatz eines kleinen Gitarrenverstärkers zu bestellen.
Zusätzlich orderte ich die Bauteile für einen sogenannten ABY-Schalter, der ein
Eingangssignal zu mehreren Ausgängen senden kann. Durch dieses erste Projekt
sammelte ich meine ersten Löterfahrungen und war stolz auf mich, dass dieser Schalter
auf Anhieb tadellos funktionierte. Top motiviert machte ich mich also an den Bau des
Gitarrenverstärkers. Nach einigen Stunden Arbeit musste ich feststellen, dass der Amp
1
Amp von engl. to amplify = verstärken
nicht funktionierte. Der Aufbau war lebensbedrohlich und die Lötstellen waren nach
meinen heutigen Maßstäben eine Katastrophe, denn ich hatte es verabsäumt die Löt-,
Sicherheits- und Aufbautechnik genau zu studieren.
Frustriert ging ich meinen theoretischen Studien nach, aber nicht langsamer oder
nachlässiger, sondern konsequenter und genauer, denn ich musste mir selbst
eingestehen, dass ich mit der Einstellung „Das werde ich schon irgendwie hinkriegen“
mit dem Bau begonnen hatte und damit fatal falsch lag. Daraus schloss ich, dass es beim
Verstärkerbauen drei Regeln gibt: Sicherheit, Planung und Voraussicht.
Während dessen wurde ich mit dem ersten größeren Abschnitt meines Theoriestudiums fertig (ungefähr 170 Seiten). Dann kam mir der Gedanke, dass ich mein
Wissen, mein Interesse und meine praktischen, zu diesem Zeitpunkt noch
unausgereiften, Kenntnisse in einer FBA in Physik vertiefen könnte.
Als mein Lehrer einverstanden war, dass ich diese FBA schreibe, suchte ich nach einem
anspruchsvollen praktischen Projekt, das einer FBA gerecht erschien. Deswegen
durchsuchte ich bekannte Webseiten nach Testberichten, Plänen, Anleitungen und Fotos
von Nachbauten berühmter Amps. Dabei war mir schnell klar, dass ein Vox AC-30 mit
ein paar Modifikationen genau der richtige Verstärker für mich wäre, denn nur wenige
erfüllten meine Kriterien. Diese sind:

mindestens ein Kanal

mindestens 15Watt Ausgangsleistung

Gleichrichterröhre

Gegentakt-Endstufe

kein High-Gain-Amp (speziell verzerrter Sound, der in Musikrichtungen
eingesetzt wird, die dem Heavy Metal nahe stehen)
Dabei standen besonders zwei Aspekte im Mittelpunkt, nämlich der Klang selbst und die
Bedeutung
des
Amps.
Der
AC-30
gehört
nämlich
zu
den
berühmtesten
Bühnenverstärkern überhaupt. Er wurde von den Beatles und von Brian May von Queen
benutzt und gilt deswegen als Urgestein der Rockkultur. Darüber hinaus gibt es schon
viel Literatur über den Verstärker, der nicht zuletzt wegen seiner unkonventionellen
Schaltungen kontrovers diskutiert wird, und auch gerne nachgebaut wird.
25.01.2010
Jedenfalls hat es sehr lange gedauert, bis der perfekte Amp vor mir stand. Baubeginn
war die letzte Schulwoche der siebten Klasse, komplette Inbetriebnahme mit allen
Nachrüstungen und Verbesserungen erfolgte am 17. Januar. Da das wahrscheinlich nicht
ohne die Hilfe der Tube-Town Community gegangen wäre, will ich mich hier für die
kompetente Hilfe bedanken. Nicht zu vergessen ist darüber hinaus mein Nachbar Gerald
Stadlbauer, der mir großartig beim Bauen des Amps, aber besonders bei der
Fehlersuche
und
beim
Verbessern
dessen
geholfen
und
mir,
durch
seine
Elektrotechniker- Ausbildung, auch sehr viele nützliche Dinge gezeigt hat, die mir in
Zukunft sicherlich von Vorteil sein werden.
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Inhaltsverzeichnis
1 Einführung in die Röhrentechnik: ......................................................................................................... 1
1.1 Geschichtliches: .................................................................................................................................... 1
1.2 Physikalische Grundbegriffe: .......................................................................................................... 3
2 Nomenklatur von Röhren: ........................................................................................................................ 5
2.1 Anmerkungen zur Nomenklatur: ............................................................................................. 7
3 Röhrenaufbau: .............................................................................................................................................. 7
4 Röhrenheizung: ............................................................................................................................................ 9
5 Die Röhrendiode: ...................................................................................................................................... 11
5.1 Eigenschaften einer Röhrendiode: ............................................................................................ 11
6 Die Triode: ................................................................................................................................................... 13
7 Die Pentode: ................................................................................................................................................ 14
8 Kenndaten: .................................................................................................................................................. 21
9 Kennlinien von Elektronenröhren: .................................................................................................... 25
9.1 Ug – Ia Kennlinien:............................................................................................................................. 25
9.2 Ua – Ia Kennlinien - Ausgangskennlinien: ................................................................................ 25
10 Grundsätzlicher Aufbau eines Gitarrenverstärkers mit Röhren: ........................................ 27
11 Kathoden-Basis-Schaltung: ................................................................................................................ 32
11.1 Verstärkung eines Audiosignals durch eine Kathoden-Basis-Schaltung: ................ 37
11.2 Dimensionierung einer Kathoden-Basis-Schaltung: ........................................................ 40
12 Die Anoden-Basis-Schaltung: ............................................................................................................ 43
13 Der Phasendreher: ................................................................................................................................. 46
14 Betriebseinstellungen von Röhrenendstufen: ............................................................................ 49
14.1 ClassA Single Ended Endstufen: ............................................................................................... 49
14.2 ClassA Gegentakt Endstufen: ..................................................................................................... 51
14.3 ClassB Gegentakt Endstufen: ..................................................................................................... 53
14.4 ClassAB Gegentakt Endstufen: .................................................................................................. 55
14.5 Ultralinear Endstufen:.................................................................................................................. 56
16 Der Ausgangsüberträger: .................................................................................................................... 58
17 Gleichrichterschaltungen für Gitarrenverstärker: .................................................................... 60
18 Zusammenfassung: ................................................................................................................................ 63
19 Anhang: ...................................................................................................................................................... 65
19.1 Mein Vox AC-30 Nachbau: ............................................................................................................... 65
19.1.1 Zur Schaltung: .............................................................................................................................. 65
19.1.2 Baugeschichte:............................................................................................................................. 68
19.2 Versuchsprotokoll: Gittervorspannungserzeugung durch den Anlaufstrom bei
Trioden: ............................................................................................................................................................ 69
19.2.1 Anmerkungen zu den verwendeten Widerständen: .................................................... 70
19.2.2 Vorgehen: ...................................................................................................................................... 71
19.2.3 Fazit: ................................................................................................................................................ 71
19.3 Baubericht Röhren pre-amp: ......................................................................................................... 72
19.3.1 Baugeschichte:............................................................................................................................. 73
20 Literaturverzeichnis: ............................................................................................................................ 75
21 Bilderverzeichnis: .................................................................................................................................. 75
22 Variablensammlung: ............................................................................................................................. 78
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1 Einführung in die Röhrentechnik:
1.1 Geschichtliches:
Die Elektronenröhre, kurz Röhre oder engl. tube genannt, war eine der ersten Bauteile,
mit der eine Wechselspannung verstärkt werden konnte. Damit eröffnete sie das
Elektronikzeitalter, in der das Radio eine entscheidende Rolle spielte.2 Durch diese
Technik war es möglich, dutzende Geräte auch für die breite Masse herzustellen. Die
Röhrendiode, die am einfachsten aufgebauten Röhren, wurde 1904 von John Ambrose
Fleming entwickelt.3 Nach weiteren zwei Jahren wurde die erste Gitterröhre als Patent
angemeldet. Dabei handelt es sich um eine sogenannte Triode, die ein Steuergitter hat,
um den Anodenstrom zu regeln, dazu aber später mehr.4 Sie wurden zum ersten Mal im
Ersten Weltkrieg zahlreich produziert, denn es bestand ein großer Bedarf an
Telefonverstärkern und ähnlichen Geräten mit
diesen Bauelementen.
Der
ENIAC
war
der
erste
Computer,
der
Röhrendioden verwendete. Insgesamt waren in
dieser
Rechenmaschine
18000
Röhrendioden
verbaut.5 Durch den hohen Stromverbrauch der
Röhrendioden war der Energieaufwand gewaltig.
Nebenbei war auch der Wartungsaufwand für
solche Computer enorm. Es mussten 2000 Röhren
monatlich ausgewechselt werden und alle Röhren
wöchentlich auf ihre Funktionstüchtigkeit geprüft
Abbildung 1 - Röhrencomputer
werden.6
Wegen des großen Schaltungsaufwandes nahm dieser gewaltige räumliche Dimensionen
an
und
prägte
somit
„das
Bild
vom
Elektronengehirn“.7
Der
erste
„Hochleistungscomputer“ hörte auf den Namen EDSAC, was abgekürzt Electronic Delay
Storage Automatic Computer bedeutet. Dieser wurde 1949 an der Universität von
2
3
4
5
6
7
vgl. http://www.elektronikinfo.de/strom/roehren.htm
vgl. http://www.at-mix.de/elektronenroehre.htm
vgl. http://www.hessenpark.de/deutsch/ausstellungen/funktechnik/erw/Aktuelles/Roehren.pdf
vgl. http://de.kioskea.net/contents/histoire/ordinateur.php3
vgl. http://www.frauen-informatik-geschichte.de/index.php?id=102
vgl. http://www.weller.to/
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Cambridge zusammengebaut.8 Er war einer der ersten Computer, der die Von-Neumann
Architektur9 nutzte. Diese grundlegende Architektur findet man, von einigen
Ausnahmen abgesehen, in allen modernen Computern wieder.10 Wie man auf der
Abbildung1 gut erkennen kann, sind in diesem Computer unzählige Röhrendioden
eingebaut.
In den folgenden Jahren wurden Elektronenröhren immer wieder durch zusätzliche
Gitter erweitert und in Details verbessert. Als aber 1948 der Transistor von den
Ingenieuren John Bardeen, Walter Brattain und William Shockley der Firma Bell Labs
entwickelt wurde, revolutionierte dieser Bauteil allmählich die Computer und
Verstärkertechnik.11
Trotzdem ist die Elektronenröhre noch nicht ganz verdrängt worden. Sie wird immer
noch dort eingesetzt, wo hohe Leistung und/oder hohe Frequenzen benötigt werden,
wie zum Beispiel in Endstufen von Rundfunk- und Fernsehsendern, in industriellen HF (Hochfrequenz) Generatoren mit hoher Leistung, in Mikrowellengeräten oder auch in
Beschleunigern von Elementarteilchen und Ionen in der Hochenergiephysik. Wichtig
sind Röhren auch in der Medizintechnik und in militärischen Geräten, weil sie EMP12resistent und weitgehend unempfindlich gegen radioaktive Strahlung sind.13
In den Achtzigerjahren des 20. Jahrhunderts erlebte die Röhre im Audiobereich in
einigen Gebieten eine wahre Renaissance. Ihre Vorteile wurden für Gitarrenverstärker
und für High-End Geräte wieder entdeckt. Dadurch entwickelt sich, mit der
Unterstützung des Internets eine DIY (do it yourself) Szene, die sich dem Bau und der
Restauration von Verstärkern und Radios mit Röhren widmet. Bekannte und
einschlägige Seiten hierfür sind:

http://www.jogis-roehrenbude.de/

http://www.tube-town.net/index.html

http://diy.musikding.de/
vgl. http://www.thocp.net/hardware/edsac.htm
Referenzmodell für Computer, wonach ein gemeinsamer Speicher sowohl Computerprogrammbefehle
als auch Daten hält
10 vgl. http://tams-www.informatik.uni-hamburg.de/applets/baukasten/DA/VNR_Einleitung.html
11 vgl. http://de.kioskea.net/contents/histoire/ordinateur.php3
12 Elektromagnetischer Puls
13 vgl. http://www.hessenpark.de/deutsch/ausstellungen/funktechnik/erw/Aktuelles/Roehren.pdf
8
9
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3|Seite
1.2 Physikalische Grundbegriffe:
Bevor man die Funktion einer Elektronenröhre abhandeln kann, muss man einige
physikalische Grundlagen klären, die ausschlaggebend für das Funktionieren dieses
Bauteils sind.
1. „Die Arbeitsweise von Elektronenröhren beruht auf dem Vorhandensein von Elektronen
und auf ihrem Verhalten unter Einfluss von elektrischen oder magnetischen Feldern.“14
Ein Elektron, kurz e-, ist ein Elementarteilchen, welches Träger negativer Ladung von
und einer Masse von
ist.15 Die Anzahl von
Protonen und Elektronen ist in jedem ungeladenen Atom immer gleich. „Das Aussehen
des Elektrons ist unbekannt; man darf es sich nicht als kleines Stückchen Materie
vorstellen, sondern nur als bloße elektrische Ladung. Sein Vorhandensein ist einzig an
der Wirkung zu erkennen.“16 Genauso verhält es sich bei fließendem Strom auch. Man
sieht ihn nicht, man hört ihn nicht, aber trotzdem ist er da. Er kann nur durch seine
Wirkung detektiert werden.
„Der
elektrische
Strom
ist
eine
gezielte
und
gerichtete
Bewegung
freier
Ladungsträger.“17 Deswegen kann Strom entweder aus fließenden Kationen oder
fließenden Anionen bestehen. In Metallen können nur Elektronen als Strom fließen.
Deswegen ist es etwas verwirrend, dass die Stromrichtung willkürlich von Plus- zum
Minuspol festgelegt wurde, obwohl er in Metallen genau umgekehrt fließt.
Abbildung 3 - technische
Stromrechnung
Abbildung 2 - physikalische
Stromrichtung
2. Stark erhitze Metalle können Elektronen abstrahlen. Dieses Verhalten wird als
Elektronen-Emission oder auch, weil dies durch Erwärmung verursacht wird, als
Thermo-Emission bezeichnet.18
14
15
16
17
18
Basislektüre S.1
vgl. http://www.guidobauersachs.de/allgemeine/ATOME.html
Basislektüre S.1
http://www.elektronik-kompendium.de/sites/grd/0110203.htm (Erstzugriff 12. Juli)
vgl. Basislektüre S.1
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4|Seite
3. Elektrische
oder
magnetische
Felder
beeinflussen
Elektronen. Gleiche Ladungen stoßen sich ab und ungleiche
ziehen sich an. Genauso verhält sich ein Elektron, das in ein
elektrisches Feld gelangt. Ein solches Feld hat auch einen
Plus- und einen Minuspol. Somit wird das Elektron vom
Pluspol angezogen und verändert so seine Bahn. Elektrische
Abbildung 5 elektrisches Feld
Felder entstehen, wenn zwei ungleiche Ladungen getrennt
werden. Sie üben eine Kraft aufeinander aus, die man mit Pfeilen darstellt.19
Wenn man einen Elektronenstrahl durch ein magnetisches Feld schickt, wird dieser
auch abgelenkt, aber nicht in die gleiche Richtung wie beim elektrischen Feld. Es ist
nämlich zu beachten, dass die ausgeübte Kraft in eine andere
Richtung zeigt. Mit der Drei-Finger-Regel der linken Hand lässt
sich die Richtung des Kraftpfeils bestimmen. Dabei zeigt der
Daumen in Richtung des Elektronenflusses, der Zeigefinger in
Richtung der Magnetfeldlinien und der Mittelfinger in Richtung
der Lorentzkraft. Der Zeigefinger muss dabei senkrecht zum
Daumen gehalten werden der Mittelfinger senkrecht zum
Zeigefinger.20
4. Man unterscheidet mehrere Frequenzbereiche, in denen
Abbildung 4 - DreiFinger-Regel
Röhren-Schaltungen eingesetzt werden können.
Der Niederfrequenz-Bereich (kurz NF) schließt alle Wellenlängen mit ein, die von
einem Menschen hörbar sind, also von ca. 16 bis 20.000Hz, wobei ältere Menschen
die hohen Frequenzen nicht mehr wahrnehmen können.21 Hi-Fi (High Fidelity = hohe
Klangtreue = sehr geringe Verzerrungen) Geräte decken den kompletten
Frequenzbereich von 30 bis 18.000 Hz ab. Röhren, die in NF-Verstärkern eingesetzt
werden, sind meist speziell für diese Frequenzen optimiert. Solche Röhren werden in
jedem Gitarren- oder Musikverstärker eingesetzt.
Der Hochfrequenz-Bereich (kurz HF) beinhaltet alle Frequenzen zwischen drei und
30 MHz. Röhren für diese Frequenzen müssen speziell aufgebaut und optimiert sein,
um zufriedenstellend zu funktionieren.
19
20
21
vgl. http://www.elektronik-kompendium.de/sites/grd/0205141.htm (Erstzugriff 12. Juli)
vgl. http://www.uni-protokolle.de/Lexikon/3-Finger-Regel.html (Erstzugriff 12.Juli)
vgl. Basislektüre S.26
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5|Seite
Der UKW-Bereich (Ultra-Kurz-Welle) erstreckt sich von drei bis 3000 MHz.
Besonders Hochleistungs-Senderöhren in Radiostationen arbeiten in diesem
Frequenzbereich.22
2 Nomenklatur von Röhren:
Da es sehr viele unterschiedliche Röhrentypen gibt, ist es unerlässlich, eine einheitliche
Nomenklatur festzulegen. Sinn und Zweck einer solchen Regelung ist, dass der Name
einer Röhre möglichst viele Informationen über diese verrät, und es so Technikern
erleichtert, deren Verhalten und Eigenschaften zu bestimmen.
Es gibt unterschiedliche Ansätze, eine solch einheitliche Nomenklatur umzusetzen. Am
einfachsten ist die Benennung nach der Elektrodenanzahl, denn sie gibt am meisten
Aufschluss über den Aufbau einer Röhre. Bei der Benennung wird ganz einfach
durchgezählt:

2 Elektroden: Diode

3 Elektroden: Triode

4 Elektroden: Tetrode

5 Elektroden: Pentode
Die Röhre mit den meisten Gittern, die jemals vertrieben wurde, war eine Ennode, also
eine Röhre mit neun Elektroden (Anode, Kathode und sieben Gitter).
1933 wurde in Europa eine einheitliche Nomenklatur eingeführt. Die Amerikaner und
Russen entwickelten eine eigene Nomenklatur, die ebenfalls noch gebräuchlich ist.
Heute wird eine Art Mischung verwendet. Die ECC83 wird zum Beispiel oft 12AX7
genannt (12AX7 ist die amerikanische Bezeichnung). „Bei amerikanischen Röhren wird
die Größe der Heizspannung durch die Zahl vor dem Buchstaben angegeben. Für die
nachfolgenden Buchstaben lässt sich kein System aufstellen“.23 Deswegen wird bei der
Benennung oft auf das europäische System zurückgegriffen. Berühmte russische Röhren
werden noch immer mit dem Originalnamen benannt, wie die 6N2P. Dabei handelt es
sich um eine russische Vorstufenröhre, die oft, wegen der praktischeren Pinbelegung,
der ECC83 vorgezogen wird.
22
23
http://www.oevsv.at/opencms/oevsv/referate/ukw/ (Erstzugriff 12.Juli)
Basislektüre S.13
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6|Seite
Im europäischen System werden der Elektrodenanzahl, der Heizspannung und dem
Heizstrom Buchstaben oder Werte zugeordnet. „Darin bezieht sich der erste Buchstabe
stets auf die Heizung, der zweite und bei Verbundröhren noch die weiteren auf das
Elektrodensystem bzw. die Verwendung der Röhre“.24 Also sieht der komplette Aufbau
folgendermaßen aus:
Heizungsart – Röhrensystem (1) – Röhrensystem (2) - Typennummer25
Bedeutung der Kennbuchstaben beim europäischen System26
Der
erste
Buchstabe Zweiter und dritter Buchstabe kennzeichnen das
kennzeichnet die Heizung Elektrodensystem
A
4V (direkt und
A Diode: Hochfrequenz Gleichrichtung
indirekt) AC
B
180mA (indirekt)
B Doppeldiode: Hochfrequenz Gleichrichtung
C
200mA (direkt)
C Triode: Vorverstärkung
D
Batterieheizung
D Triode: Endstufe (Leistungstriode)
(0,625V, 1,25V oder
1,4V)
E
6,3V AC / 12,6V DC E Tetrode: HF-, ZF- und NF(indirekt)
Spannungsverstärkung
F
13V (indirekt)
F Pentode: HF-, ZF- und NFSpannungsverstärkung
G
5,0V AC
H Hexode, Heptode: Regelröhren, Mischröhren
H
150mA (indirekt)
L Pentode, Tetrode: Endstufe
oder 4V (direkt)
K
2,0V (direkt)
M Abstimmanzeigeröhre (magisches Auge)
P
300mA (indirekt)
Q Nonode, Ennode (Röhre mit 9 Elektroden)
U
100mA (indirekt)
W Gasgefüllte Gleichrichterröhre
X
600mA (indirekt)
X Gasgefüllte Zweiwege-Gleichrichterröhre
Y
450mA (indirekt)
Y Einweg-Gleichrichterröhre
Z,O Kaltkathode
Z Zweiwege-Gleichrichterröhre
Um die Bezeichnung noch aussagekräftiger zu machen werden zusätzlich Zahlen an die
Buchstaben angereiht. Sie bezeichnen den Röhrensockel näher und beschreiben die
Ausführungsweise.
Werte
30-39
80-89
Sockel und Ausführung
Quetschfußröhre mit Oktal-Sockel (z.B. EL34)
Miniaturröhre Noval-Sockel (z.B. ECC83)
Basislektüre S.12
Stückweise übernommen von: http://www.elektronikinfo.de/strom/roehrentypen.htm
26 Mehrgitterröhren S.9, http://www.elektronikinfo.de/strom/roehrentypen.htm
24
25
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7|Seite
2.1 Anmerkungen zur Nomenklatur:
1. Röhren mit einer dreistelligen Typenbezeichnung und 1 oder 2 als erster Ziffer
sind Varianten mit speziellen Eigenschaften von Röhren ohne diese erste Ziffer.
Beispiel: Die EF183 ist eine spezielle Variante der EF83. Bei manchen Röhren
sind die Typenbezeichnung und die Kodierung für den Röhrentyp vertauscht
angegeben. Auch hier handelt es sich um spezielle Varianten der Standardtypen
wie zum Beispiel die ECC83. Diese sind Typen mit zum Beispiel langer
Lebensdauer oder für den Einsatz unter hoher Schwingungsbelastung.
2. In einigen Fällen wird die Typenbezeichnung durch eine Null in der Mitte
erweitert (z.B. ECC803). Diese hat aber keinen Einfluss auf die Eigenschaften.
3. Oft wird von Herstellern ein gewisses Merkmal hinzugefügt, welches die Röhre
von anderen Herstellern unterscheidet. JJ-Electronics fügt bei fast allen Röhren
ein „S“ hinzu. So wird aus einer ECC83 eine ECC83S.
3 Röhrenaufbau:
Grundlegend besteht jede Röhre aus drei Teilen:

Die Röhre ist von einer Glashaube umschlossen, in der ein Hochvakuum
herrscht, damit der Elektronenstrom nicht beeinträchtigt wird. Diese besitzt
außerdem die charakteristische Form, die der Röhren auch den Namen gegeben
hat. Früher wurden auch Stahlgehäuse verwendet, welches die Röhre von
elektromagnetischer Strahlung abschirmen sollte.
Diese
Konstruktion
wurde
aber
für
Niederfrequenzröhren wieder verworfen.

Jede Röhre besitzt mindestens zwei Elektroden,
nämlich die Kathode und die Anode. Die Kathode ist
immer in der Mitte des Glaskolbens und wird von den
Gittern und der Anode umschlossen. Die Anzahl der
Elektroden ist abhängig vom Typ der Röhre.
o Die Kathode hat die Aufgabe Elektronen zu
emittieren. Um dies effektiv tun zu können
muss der Elektronen emittierende Teil sehr
heiß sein. Ursprünglich verwendete man dazu
Abbildung 6 - Röhrenaufbau
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8|Seite
einen Wolframdraht, der durch einen relativ hohen Heizstrom auf bis zu
2200°C erhitzt werden musste. Deswegen führte man 1933 die weit
effektiveren Oxydkathoden ein, die aus einem metallischen Kern bestehen
und die mit einer sehr dünnen Erdalkali-Oxydschicht überzogen sind.
o Die Gitter bestehen aus einem sehr dünnen Drahtgeflecht, das je nach Typ
des Gitters unterschiedlich dicht ist. Die Gitter sind straff über die
Spanngitter in der Röhre gespannt und sind dazu da, den Elektronenfluss
zu beeinflussen, aber dazu später mehr.
o Die Anode umschließt die übrigen Elektroden. Sie besteht üblicherweise
aus einem Nickel- oder Stahlblech.

Da jede Röhre nur ein Teil einer Schaltung ist, braucht diese Kontakte zu anderen
Bauteilen um zu funktionieren. Dies wird über den Sockel sichergestellt. Es gibt
vier verschiedene Sockeltypen. Auf dieser Seite sind Skizzen der am häufigsten
verwendeten Sockeln dargestellt. Sie unterscheiden sich in der Größe, der Anzahl
der Pins und in der Art, wie beim Einbau die richtige Position der Röhre
sichergestellt wird. Beim Oktal-Sockel wird ein kleiner Metallstift verwendet,
beim Noval-Sockel eine unsymmetrische Anordnung der Pins.
Der Noval-Sockel ist wahrscheinlich der am
häufigsten
eingesetzte
Sockel
in
Gitarrenverstärkern, weil die ECC83 den
Noval-Sockel benutzt. Diese Röhre hat sich
wegen
Abbildung 7 Noval Sockel
ihren
zwei
unabhängigen
Triodensystemen schon fast als Standard
durchgesetzt.
Beispiele für Röhren, die mit einem Oktal-Sockel
gefertigt werden:
 6L6
 EL34
 KT66
Abbildung 8 Oktal Sockel
Dies sind alle Endpentoden, die für den NF-Bereich
geeignet sind. Besonders die EL34 und die 6L6 erfreuen
sich in Gitarrenamps großer Beliebtheit.
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9|Seite

Es ist außerdem möglich mehrere Elektrodensysteme in einem Glaskolben
unterzubringen. Diese Röhren nennt man Verbundröhren. Sie haben entweder
mehrere komplett unabhängige Elektrodensysteme oder Elektrodensysteme mit
einer gemeinsamen Kathode in einem Glaskolben.
Verbundröhren
sind
besonders
platzsparend
und
verringern den Kostenaufwand beim Verstärkerbau.
Abbildung 9 zeigt den Aufbau des Innenraumes einer
ECC83, also einer Röhre mit zwei unabhängigen
Triodensystemen. Die Buchstaben und die römischen
Ziffern geben die Pinbelegung an. Also steht kI für die
Abbildung 9 - Röhrenaufbau
Kathode des ersten Triodensystems und gII für das Gitter des zweiten.
4 Röhrenheizung:
Die Röhrenheizung ist fester Bestandteil (fast) jeder Röhre. Sie hat die Aufgabe die
Kathode auf die Temperatur aufzuheizen, ab der sie Elektronen emittieren kann.
Man unterscheidet zwei grundlegende Arten von Röhrenheizungen:
 Die direkt geheizte Kathode:
Bei dieser Art bilden Heizfaden und Kathode eine Einheit
und somit sind die beiden elektrisch nicht getrennt. Es gibt
weiters die Möglichkeit eine Röhre mit Wechselstrom oder
mit Gleichstrom zu beheizen. Bei einer mit Gleichstrom
direkt geheizten Röhre gilt das negative Ende des Heizdrahtes
Abbildung 10 –
direkte Heizung
als Kathodenanschluss. Somit ist die Anodenspannung
(Spannung zwischen Anode und Kathode) die zwischen Anode und dem
negativen Ende gemessene Spannung.
Bei der Heizung mit Wechselstrom können Temperaturschwankungen der
Heizfadentemperatur entstehen. Dies hat zur Folge, dass der Elektronenaustritt
aus der Kathode nicht überall gleichmäßig, sondern dort höher ist, wo auch die
Temperatur höher ist. Dieser Umstand kann zu Netzbrummen führen.
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10 | S e i t e
 Die indirekt geheizte Kathode:
Bei einer indirekt geheizten Kathode bilden der
Heizdraht und die Kathode keine Einheit. Diese sind
somit zwei getrennte und elektrisch voneinander
isolierte Teile. Der erhitze Heizdraht gibt die Wärme an
die Kathode ab und heizt sie dadurch indirekt. Diese
Trennung hat große schaltungstechnische Vorteile,
besonderes bei Wechselstromheizungen, da so das
Netzbrummen vollkommen vermieden werden kann. Ein
Nachteil dieser Heizungsart ist die längere Anheizzeit.
Abbildung 11 –
indirekte Heizung
Die erforderliche Heizleistung richtet sich danach, wie stark die Elektronenemission
sein muss. Deswegen ist die Heizleistung von Röhren recht unterschiedlich. Ferner
sollen die vorgeschriebenen Heizdaten genau eingehalten werden. Auch geringe
Abweichungen können große Auswirkungen auf die Lebensdauer der Röhren haben,
denn die Heizleistung wächst mit dem Quadrat des Heizstroms. Durch eine zu hohe
Heizspannung ist es möglich, dass der Heizdraht durchbrennt und die Röhre
ausgewechselt werden muss. Eine Unterversorgung führt zu einer baldigen Erschöpfung
der Emissionsfähigkeit von Oxydkathoden und wirkt sich somit auch drastisch auf den
Klang einer Röhre aus. Die maximal zulässige Spannungsschwankung liegt bei 5%.
Außerdem ist auf eine sorgfältig verdrillte Heizleitung im Verstärkergehäuse zu achten,
falls mit Wechselstrom beheizt wird. Durch den hohen Stromfluss entsteht nämlich ein
Magnetfeld, das ungefähr 50 µT in einem Abstand von zwei cm groß ist. Da aber zwei
Kabel nötig sind, ist so das gesamte Magnetfeld 100 µT stark. Das stört Endstufen nicht
weiter, aber die wesentlich empfindlicheren Vorstufenröhren schon. Dadurch wird eine
Brummspannung von 10 µV mit einer Frequenz von 50Hz induziert, welche dann in den
folgenden Verstärkerstufen mitverstärkt wird und so sehr störend wirken kann.27 Durch
die Verdrillung der Heizleitungen wird sichergestellt, dass sich die Magnetfelder
gegenseitig kompensieren und somit keine Brummspannung in die nahegelegenen
Leitungen induziert werden kann.
Der hohe Stromdurst der Röhrenheizungen ist mit ein Grund, warum Röhren durch
Transistoren in vielen Bereichen ersetzt wurden. Vorstufenröhren haben eine
27
Manfred Zollner: Physik der Elektrogitarre, Regensburg 2009 (Vorveröffentlichung) 10-7-1
25.01.2010
11 | S e i t e
Heizleistung von 1,2-2 Watt pro Röhre, Endstufenröhren bereits 5-20 Watt und
Gleichrichterröhren 3-8 Watt.
5 Die Röhrendiode:
Die Röhrendiode ist die einfachste aller Röhren, denn sie hat nur eine
Kathode und eine Anode. Nur wenn die Anode positives Potential
gegenüber der Kathode hat, fließt Strom. Sie wird auch heute noch
zur Demodulation von Zwischen- oder Hochfrequenz Signalen
verwendet und wurde früher auch in jedem Computer eingesetzt, weil
damals Halbleiter Dioden noch nicht erfunden waren. Trotzdem gibt
Abbildung 12 Röhrendiode
es Anwendungen, in denen die Röhrendiode bis heute eingesetzt wird. Ein Beispiel ist
die Nachrichtentechnik. In solchen Schaltungen sind enorme Sendeleistungen gefordert,
die auch moderne Halbleiterdioden nicht ohne großen Kühlaufwand liefern können.
Röhrendioden können ebenfalls für sehr hohe Sperrspannungen oberhalb von 220kV
gebaut werden. In Gitarrenverstärker werden sie auch oft zur Gleichrichtung von
Wechselspannungen
verwendet
(siehe
Kapitel
Gleichrichterschaltungen
für
Gitarrenverstärker).28
5.1 Eigenschaften einer Röhrendiode:
Wie alle Elektronenröhren müssen auch Röhrendioden beheizt
werden (ausgenommen solche mit einer Kaltkathode). Deshalb ist
der Anodenstrom auch von der Temperatur der Kathode abhängig.
Da der Platzaufwand für eine Röhrendiode sehr gering ist, empfiehlt
es
sich
mehrere
Diodensysteme
in
einem
Glaskolben
unterzubringen. Ein Beispiel für eine solche Verbundröhre ist die
EAA91. Das Bild zeigt eine solche Röhre.
Bei allen Röhren kommt es vor, dass trotz negativer Anode ein
Strom fließt. Diesen Strom bezeichnet man als Anlaufstrom. In
Abbildung 14 entspricht er dem blauen Bereich. Dieser Strom kann
Abbildung 13 - EAA91
sich als Gitter- oder als Anodenstrom bemerkbar machen. Dieses
vgl. http://www.guido-moser.de/pdf/Studium/Elektrotechnik/ET_06_Roehrendiode.pdf (Erstzugriff
29.8.)
28
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12 | S e i t e
Phänomen erklärt sich hiermit:
„Ein Teil der Elektronen weist beim Austritt aus der Kathode so viel
Geschwindigkeit auf, dass sie an Gitter und Anoden gelangen, selbst wenn letztere
einen kleine negative Spannung gegenüber der Kathode aufweisen. Diese
Elektronen laufen somit gegen negative Elektroden an.“29
Daraus kann man schließen, dass eine Röhrendiode, genau wie eine Halbleiterdiode
auch, einen gewissen Grenzwert besitzt, ab dem die Diode sperrt. Bei Halbleiterdioden
wird dieser Wert als Sperrspannung bezeichnet. Wie man aus Abb. 14 ablesen kann,
sperrt diese fiktive Röhrendiode erst ab Spannungen, die größer als –1 Volt sind. Es
wurden allerdings sogenannte Messdioden entwickelt, die auch wesentlich kleinere
Signale gleichrichten.
Weiters ist zu beachten, dass diese „langsamen“ Elektronen eine sogenannte
Raumladungswolke bilden. Durch ihr negatives Potential hindert diese Wolke aus
Elektronen die aus der Kathode austretenden Elektronen daran, zur Anode zu gelangen.
Wenn
nun
die
Anodenspannung
zunimmt, werden sowohl die Elektronen
der Raumladungswolke als auch die
Elektronen aus der Kathode von der
Anode
angezogen.30
Ist
nun
die
Elektronenwolke völlig verschwunden,
wird
ein
Anodenstrom
gewisses
Maximum
gemessen,
der
an
als
Sättigungsstrom bezeichnet wird. Diesen
Abbildung 14 - Kennlinie einer Röhrendiode
Bereich der Kennlinie bezeichnet mal als
Sättigungsbereich.
Abbildung 14 zeigt die vier Bereiche genau. Diese schemenhafte Grafik stellt einen
Zusammenhang zwischen Anodenspannung und Anodenstrom her. Diese sieht deutlich
anders aus als eine vergleichbare Halbleiterdiode.
29
30
vgl. Basislektüre S.16
vgl. ET06 Röhrendiode S.4
25.01.2010
13 | S e i t e
6 Die Triode:
Als Triode bezeichnet man eine Röhre mit drei Elektroden. So wie jede
Röhre hat auch diese eine Anode und eine Kathode. Zusätzlich wird bei
einer Triode das sogenannte Steuergitter (g1) zwischen Anode und
Kathode eingebaut. Trioden finden Anwendung in der Verstärkung
kleiner Wechselspannungen, die zwischen Kathode und Gitter angelegt
werden und somit eine Anodenstromänderung hervorrufen.31 Diese
Abbildung 15 Triode
erklärt sich so:

Der Elektronenfluss von der Kathode zur Anode wird durch die am Gitter
anliegende Wechselspannung beeinflusst. Wenn das Gitter negativ wird, werden
die Elektronen, die Träger negativer Ladung sind, zur Kathode zurückgedrängt.
Damit wird der Anodenstrom kleiner. Wenn das Gitter positiv wird, werden die
Elektronen zusätzlich beschleunigt. Ein Teil der Elektronen wandert zum Gitter,
was den sogenannten parasitären Gitterstrom mit der Abkürzung Ig, fließen lässt.
Dadurch wird der Anodenstrom ebenfalls kleiner.32
Falls Gitterstrom fließt, geht ein Teil des Signals am Gitter bei der Verstärkung
verloren. Deswegen müssen Maßnahmen ergriffen werden, um zu erreichen, dass
selbst bei einer positiven Halbwelle der Wechselspannung kein Gitterstrom
fließt. Dies kann man einfach erreichen, indem man eine negative
Gittervorspannung hinzu schaltet, damit selbst bei einer positiven Halbwelle das
Gitter niemals positiv wird. Die Art und Weise, wie eine solche Schaltung
realisiert wird, wird im Kapitel Kathoden-Basis-Schaltung noch ausführlich
erklärt.
Der Vorteil des Steuergitters liegt darin, dass selbst sehr kleine Veränderungen der
Spannung am Gitter große Änderungen des Anodenstroms bewirken. Grundsätzlich
werden Röhren mit hohen Spannungen betrieben, diese können aber nur geringe
Ströme verarbeiten. Bei einer ECC83S beträgt der maximal zulässige Anodenstrom, bei
der maximal erlaubten Betriebsspannung, 3mA. Genau hier liegt auch ein großer
Unterschied zum Transistor, denn dieser kann große Ströme verarbeiten, verkraftet
aber nur niedrige Spannungen.
31
32
vgl. Basislektüre S.16
vgl. Basislektüre S.5
25.01.2010
14 | S e i t e
Trioden
werden
Wechselspannungen
hauptsächlich
eingesetzt.
zur
Verstärkung
Deswegen
sind
von
sie
kleinen
in
allen
Gitarrenverstärkern verbaut. Besonders beliebt sind Verbundröhren,
die gleich mehrere unabhängige Triodensysteme unter einer Glashaube
haben. Dabei sind besonders die Röhren der ECC80 Serie zu nennen
und die russische Röhre 6N2P. Der Vorteil dieser kompakten und
modernen Röhren liegt in der hohen Effizienz und der großen
Verstärkung.
Abbildung 16 EH ECC83 Gold
Natürlich können Trioden auch als Endstufen eingesetzt werden. Dazu bedarf es einer
speziellen Bauweise und Ausführung, aber das Prinzip ist ähnlich. Endstufenröhren sind
dafür ausgelegt, größere Ströme verarbeiten zu können, weswegen sie unter anderem
um einiges größer sind als Vorstufenröhren. Früher wurde für diese Zwecke oft die AD1
eingesetzt. Heute werden fast ausschließlich Endpentoden in Gitarrenverstärkern
verwendet.
7 Die Pentode:
g3
Eine Pentode ist eine Röhre mit fünf Elektroden. Neben der Anode,
g2
der Kathode und dem Steuergitter hat jede Pentode ein g1
Schirmgitter (g2) und ein Bremsgitter (g3). Sie wird meist als
g1
Endstufe eingesetzt. Es wurden aber auch Vorstufenpentoden
entwickelt, die besonders für die erste Verstärkungsstufe konzipiert
Abbildung 17 Pentode
sind, wie zum Beispiel die EF86.
Die Pentode stellt eine Weiterentwicklung der Tetrode dar, die
wiederum eine Weiterentwicklung der Triode ist. Einer Tetrode
fehlt im Vergleich zur Pentode das Bremsgitter. Das Schirmgitter
wurde
eingeführt,
weil
man
den
negativen
Effekt
der
Rückkopplung des Anodenkreises durch die Gitter-AnodenKapazität auf den Gitterkreis unterbinden wollte. „Resultat ist,
dass die Ausgangsspannung, die an der Anode zur Verfügung steht,
bei hohen Frequenzen sehr stark auf das Gitter zurückgekoppelt
25.01.2010
Abbildung 18 - GitterAnoden-Kapazität
15 | S e i t e
wird. Denn hohe Frequenzen können Kondensatoren leicht passieren. Für Sendeanlagen
entwickelte man daher spezielle Trioden, bei denen der Abstand zwischen Gitter und Anode
sehr groß und damit die Kapazität sehr klein war. Durch den großen Abstand steigt aber
leider auch der Betriebsspannungsbedarf sehr stark. Sendetrioden müssen daher meistens
mit mehreren tausend Volt betrieben werden.“33 Bei NF-Röhren hingegen wird das
Schirmgitter zwischen Steuergitter und Anode platziert. Dieses schirmt das Steuergitter
vor dem Anodeneinfluss ab und bewirkt eine Verringerung der Anoden-Gitter-Kapazität.
„Um als Abschirmung zu wirken, muss es wechselstrommäßig geerdet sein; dagegen ist es
für die Bewegung der Elektronen nach der Anode hin von Vorteil, wenn es
gleichstrommäßig an eine positive Spannung angeschlossen ist.“34 Deswegen wird am
Schirmgitter meist eine möglichst konstante Gleichspannung Ug2 angelegt, die das
Verhalten der Röhre maßgeblich verändert. Die Schirmgitterspannung bewirkt, wie
schon gesagt, dass die Elektronen zur Anode hin beschleunigt werden. Das bedeutet
aber auch, dass ein Teil der Elektronen nicht durch die Maschen des Gitters
„hindurchfliegen“ sondern durch das Gitter als Schirmgitterstrom Ig2
abfließen und, dass der Anodenstrom kaum mehr von der
Anodenspannung Ua abhängig ist.
Das Verhalten der Tetrode, auch Schirmgitterröhre genannt, oder
das der Pentode kann man, wie auch bei einer Triode, durch die Ug Ia Kennlinien beschreiben, wobei nicht nur Ua sondern auch Ug2
konstant sind. Wie man den Kennlinien rechts entnehmen kann,
liegen diese, trotz unterschiedlicher Anodenspannungen deutlich
enger zusammen als bei Trioden. Oder anders ausgedrückt: „Der
Durchgriff der Anode ist klein“.35 Dieses Verhalten erklärt sich so: Am
Schirmgitter liegt im Normalfall eine hohe positive Spannung an.
Also werden die Elektronen nach dem Austritt aus der Kathode
hauptsächlich vom Steuergitter und vom Schirmgitter beeinflusst.
Die
Anodenspannung
kann
somit
„nicht
durch
das
Abbildung 19 Trioden - Tetroden
Kennlinien
http://www.elektronikinfo.de/strom/roehren.htm
Basislektüre S.41
35 Basislektüre S.41
33
34
25.01.2010
16 | S e i t e
Schirmgitterpotential durchgreifen“.36 Um nun die Barkenhaussche Röhrengleichung zu
erfüllen zu können, muss Ri bei Tetroden und Pentoden deutlich größer sein als bei
Trioden37 (siehe Kapitel Kenndaten). Wenn man nun die Ug - Ia Kennlinien nicht für
verschiedene Anodenspannungen sondern für verschiedene Schirmgitterspannungen
angegeben werden, wird man feststellen, dass „Ug2 ähnlichen Einfluss wie Ua bei einer
Triode hat“.38 Das Schirmgitter wirkt also so wie eine zweite Anode. Dadurch, dass das
Schirmgitter aber Maschen hat, durch das die Elektronen hindurchfließen können, ist
der Schirmgitterstrom klein.
Da das Schirmgitter einen eigenen Kontakt am Sockel erhalten muss, ist es möglich, eine
Tetrode oder Pentode als Triode zu schalten, indem man das Schirmgitter auf
Kathodenpotential legt, also beide Elektroden verbindet. Damit verhält sich die Röhre
ganz anders, nämlich wie eine native Triode. In den Grafiken sieht man eine EL84
(Endstufenpentode), einmal als Pentode, einmal als Triode geschaltet.39 Es ist bei
aufwendigeren Verstärkern durchaus möglich, dass ein spezieller Schalter eingebaut ist,
Abbildung 21 - Pentoden-Kennlinien
Abbildung 20 – Trioden-Kennlinien
der die Pentodenendstufe zu einer Triodenendstufe macht, um die Leistung drastisch zu
reduzieren. Damit wird natürlich auch der Klang verändert.
Um nun den Verwendungsgrund des Bremsgitters zu verstehen, muss man den großen
Nachteil von Tetroden erläutern.
Manfred Zollner: Physik der Elektrogitarre, Regensburg 2009 (Vorveröffentlichung) 10-5-5
vgl. Basislektüre S.42
38 Basislektüre S.42
39 siehe Phillips EL84 Datenblatt aus dem Jahre 1969
36
37
25.01.2010
17 | S e i t e
Da die Elektronen durch das Schirmgitter zusätzlich beschleunigt werden, prallen sie
mit sehr großer Energie auf das Blech der Anode auf.40 „Die Primärelektronen übertragen
in diesem Fall [...] eine so große
kinetische Energie auf die Elektronen
des
Anodenblechs,
Überwindung
befähigt
dass
der
sie
Austrittsarbeit
werden. Die Anzahl
Sekundärelektronen
Vielfaches
[...]
der
zur
kann
der
ein
Primärelektronen
sein“41. Damit entsteht innerhalb der
Röhre
ein
entgegengesetzter
Elektronenstrom, der den eigentlichen
Anodenstrom
maßgeblich
Abbildung 22 - Tetroden-Kennlinien
behindert
oder ihn sogar komplett kompensieren kann.
Wie man aus der Grafik entnehmen kann, zeigt sich ein deutlicher Knick in der
Kennlinie. Dieser ist auf den Effekt der Sekundärelektronen zurückzuführen. Erst wenn
die Anodenspannung (deutlich) höher ist als die Schirmgitterspannung, werden die
Sekundärelektronen nicht mehr vom Schirmgitter sondern wieder von der Anode
angezogen. Deswegen entspricht Ia nicht der gesamten emittierten Elektronen. Der
Kathodenstrom oder auch Emissionsstrom gibt nun die Summe aus dem Anodenstrom
und dem Schirmgitterstrom an:
42
Besonders auffallend ist, dass zwischen
ungefähr 40V und 75V der Elektronenstrom nicht von der Kathode zur Anode sondern
in die entgegengesetzte Richtung fließt. Somit steigt der Anodenstrom nicht
zwangsläufig mit der Anodenspannung an.
„Durch besondere Ausführung der Gitter, durch Einhaltung eines gewissen kritischen
Abstandes zwischen Schirmgitter und Anode sowie durch Bündelung der Elektronen ist es
gelungen, bei Tetroden die Auswirkungen des Sekundärelektronen-Effekts zu beseitigen“.43
Diese
werden
als
vgl. Basislektüre S.42
Mehrgitterröhren S.2
42 vgl. Mehrgitterröhren S.2
43 Basislektüre S.42
40
41
25.01.2010
„Beam-tubes“
bezeichnet
und
werden
heute
häufig
in
18 | S e i t e
Gitarrenverstärkern eingesetzt. Die KT88 (Abbildung 23) ist ein
bekannter Vertreter der „Beam-tubes“ Familie.
Um nun diesen Effekt der Sekundärelektronen auf eine andere
Art zu beseitigen und damit die ungeeigneten Eigenschaften der
Tetroden zu korrigieren, führte man
ein
weiteres
Gitter
ein.
Das
Bremsgitter wird zwischen Anode
und Schirmgitter angeordnet und ist
direkt mit der Kathode verbunden.
„Infolge der negativen Polarität des
Abbildung 24 - KT88
Bremsgitters
gegenüber
der
Abbildung 23 - Röhrenaufbau
Anode werden die aus der Anode austretenden Sekundärelektronen abgebremst und zur
Anode zurückgetrieben“.44 Das Gitter ist so grobmaschig, dass die Primärelektronen es
fast ohne Beeinflussung durchlaufen können, aber die Sekundärelektronen, die fast
keine Geschwindigkeit aufweisen, sofort zur Anode zurückgedrängt werden. 45 Durch
diesen großen Vorteil konnte sich die Pentode seit ihrer Entwicklung 1926 durchsetzten
und wird heute in vielen Gitarrenverstärkern als Endstufe eingesetzt.46 Die Beam-Tubes
haben statt eines Bremsgitters ein speziell geformtes Blech, das fast dieselbe Wirkung
erzielt wie das Bremsgitter.
Basislektüre S.43
vgl. http://www.elektronikinfo.de/strom/roehren.htm
46 vgl. http://www.elektronikinfo.de/strom/roehren.htm
44
45
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19 | S e i t e
Die Pentode hat aber auch als Vorstufenröhre besonders an erster Position, die
sogenannte V1, ihre Berechtigung. „Gegenüber Triode bietet sie den Vorteil einer höheren
Verstärkung [...]“.47 Aber eine hohe Verstärkung reicht bei weitem nicht aus. Solche
Röhren, wie die EF86, müssen ebenfalls ein sehr geringes Eigenrauschen besitzen, da
jedes Rauschen in den folgenden Stufen mitverstärkt wird und so sehr störend wirken
kann. Theoretisch hat jedes elektronische Bauteil ein gewisses Eigenrauschen, das durch
die ungleiche Elektronenbewegung innerhalb des Bauteils entsteht. Besonders
Elektronenröhren sind für solche Rauschspannungen anfällig, weil besonders viele
Faktoren Rauschen verursachen können. Mögliche Ursachen für Rauschen sind:

ungleichmäßige Elektronenemission der Kathode (Funkeleffekt)

ungleichmäßige Elektronenverteilung innerhalb der Röhre durch die Gitter
Da Pentoden fünf Gitter haben, sind sie viel anfälliger für Röhrenrauschen als Trioden.48
Darüber hinaus müssen solche Röhren unempfindlich gegen Mikrofonie (Selbsterregung
der Röhre) sein, was durch kleine Abmessungen und kompakten Aufbau erreicht wird.
Aber genau deswegen wurde die früher sehr verbreitete EF86 abgelöst. „The EF 86,
although excellent electronically, was susceptible to machanical damage through vibration
and would soon begin adding its own ringing, rattling accompaniment“.49 Darüber hinaus
kann eine solche Vorstufe erhebliche Verzerrungen produzieren, die nicht generell
erwünscht sind. Aber besonders in Gitarrenverstärkern werden Verzerrungen
angestrebt, weswegen eine Schaltung mit einer Pentode durchaus Sinn macht. Bei
Gitarrenverstärkern sind Verzerrungen erwünscht, um den Klang facettenreicher zu
machen. Bekannte Verstärker mit einer Pentode als V1 sind der AC-15 (siehe Schaltplan
nächste Seite) oder der Fender Bassman 5A6. Beide wurden aber durch den Boom der
Doppeltrioden früher von der 12AY7 heute von der 12AX7 abgelöst.
Da man nicht ohne weiteres eine Vorstufenpentode an Stelle einer Vorstufentriode
einbauen kann, müssen ein paar Änderungen vorgenommen werden. Da eine Pentode
zwei Gitter mehr hat, wobei nur eines davon eine eigene Spannungsversorgung braucht,
muss man zwei weitere Bauteile einsetzen um die Funktionstüchtigkeit der Vorstufe zu
gewährleisten. Grundsätzlich handelt es sich auch bei diesen Schaltungen um KathodenBasis-Schaltungen.
Zusätzlich
werden
ein
Schirmgitterwiderstand
Basislektüre S.45
vgl. Otto Diciol S.39
49 Manfred Zollner: Physik der Elektrogitarre, Regensburg 2009 (Vorveröffentlichung). 10.1.9
47
48
25.01.2010
und
ein
20 | S e i t e
Schirmgitterkondensator benötigt. Der Schirmgitterwiderstand, der beim AC-15 einen
Widerstand von 1M aufweist, dient dazu, die Schirmgitterspannung zu begrenzen,
denn diese soll nicht gleich groß wie die Anodenspannung sein. Deswegen wird ein
hochohmiger Widerstand eingebaut, an dem eine Spannung durch den geringen
Schirmgitterstrom abfällt. Dadurch liegt das Schirmgitter auf niedrigerem positiven
Potential als die Anode.
Abbildung 25 - V1 Vox AC-15
Der Schirmgitterkondensator wiederum hat die Aufgabe das Steuergitter vor
Anodenrückwirkungen abzuschirmen, indem er diese Ströme gegen Masse ableitet.50
Diese können nämlich wie eine schwache Gegenkopplung wirken, die die Verstärkung
reduziert.51 Wenn die Schirmgitterspannung nicht von der Anodenzuleitung sondern
von einer eigenen Stelle des Netzteils kommt, kann dieser Kondensator entfallen.
50
51
vgl. http://www.jogis-roehrenbude.de/Verstaerker/Testamp/Testamp.htm (Erstzugriff 18.12.09)
vgl. Grundsätzlicher Röhrenverstärker S.7
25.01.2010
21 | S e i t e
8 Kenndaten:
Um Röhren effektiv vergleichen zu können, muss jeder Hersteller in den Datenblättern
der Röhren verschiedene sogenannte Kenndaten angeben. Die wichtigsten Kenndaten
sind:
 Röhrenheizung (empfohlene und maximale Werte für Uf und If)
 Grenzwerte für Ua, IK, Ug0 und Pv
 Betriebswerte (S, D, Ri und µ)
Besonders die vier Betriebswerte sind essenzielle Daten von Röhren.
 Steilheit:
Als Steilheit bezeichnet man die Beeinflussung
der Spannung des Steuergitters auf den
Anodenstrom.
Um die Steilheit zu ermitteln, werden bei
Röhren durch einen simplen Versuchsaufbau
die Ug - Ia Kennlinien erstellt. Dabei wird bei
fixer Anodenspannung Ua der Anodenstrom bei
unterschiedlichen Gitterspannungen gemessen
(Versuchsaufbau siehe Kapitel Kennlinien). Da
die
Steilheit
Anodenstromes
den
Unterschied
des
in
Abhängigkeit
vom
Abbildung 26 - Kennlinien
Unterschied der Gitterspannung angibt, kann
man S definieren als
wobei Ua konstant ist. Wenn man nun die Steilheit
in einem Punkt ermitteln will, muss man die Steigung der Tangente an die
Kennlinie ermitteln. Die Einheit der Steilheit ist
. Links sind die Ug - Ia
Kennlinien dargestellt. Dabei handelt es sich um eine ECC83 von Lorenz aus dem
Jahre 1962.
Die Steilheit S darf aber für praxisbezogene Berechnungen nicht verwendet
werden, weil Ua in Wirklichkeit nicht konstant ist. Beim Durchgang des
Anodenstromes durch Ra wird die Spannung
„verbraucht“. Die
Anodenspannung ist somit nicht mehr gleich der Batteriespannung UB, sondern
um den Spannungsverbrauch in Ra kleiner.
25.01.2010
22 | S e i t e
Somit hängt die Anodenspannung auch vom Anodenstrom ab. Wenn man das in
den Ug - Ia Kennlinien berücksichtigt, spricht man von den Arbeitskennlinien.
Wenn man Ra gleich 0 setzt erhält man, weil Ua konstant bleibt, die sogenannte
statische Kennlinie. Diese verläuft oberhalb der Arbeitskennlinien. Unten sieht
man die von den Ug - Ia Kennlinien abgeleitete Arbeitskennlinie und die
Widerstandsgerade, die die Formel
von
-
-
(ergibt sich durch die Umformung
nach ) hat. UB ist in diesem Fall 300V und Ra beträgt 83,3kΩ.
Abbildung 27 - Kennlinien
 Durchgriff:
Der Durchgriff ist ein spezielles Maß, das nur bei
Elektronenröhren vorkommt. Der Begriff beschreibt
um wievielmal kleiner die Steuerwirkung der
Anodenspannung auf den Anodenstrom ist als jene
des Steuergitters auf den Anodenstrom. Dieser Wert
ist dimensionslos und wird meist in Prozent
angegeben. Der Wert ist deswegen so klein, weil die
Anodenspannung gewissermaßen durch die Maschen
des Gitters hindurchgreifen muss, während das Gitter
unmittelbar auf die aus der Kathode austretenden
25.01.2010
Abbildung 28 - Durchgriff
23 | S e i t e
Elektronen wirkt.
Der Durchgriff kann ganz leicht geometrisch oder rechnerisch ermittelt werden,
nämlich
wobei der Anodenstrom konstant ist. In diesem Fall beträgt der
Durchgriff
.
„Der Durchgriff einer Röhre ergibt sich aus der kontruktiven Gestaltung des
Steuergitters. Sind die Maschen des auf negativem Potential liegenden
Gitters groß, so kann das Spannungsfeld der Anode fast unbehindert
„durchgreifen“ […]. Sind die Gittermaschen hingegen eng, so erschweren
diese die durchgreifende Wirkung der Anode.“52
Man kann ganz einfach feststellen, welche Röhre den kleineren Durchgriff hat.
Wenn man zwei Ug - Ia Kennlinien vor sich hat, hat die Röhre, bei der die zwei
Linien enger beieinander liegen den kleineren Durchgriff, natürlich auf die
gleichen Anodenspannungen bezogen.
Eine gute Röhre hat immer einen möglichst großen Verstärkungsfaktor
(Leerlaufverstärkung), der als µ [mü] bezeichnet wird. Die Formel
einen
einfachen
Zusammenhang
zwischen
dem
Durchgriff
stellt
und
dem
Verstärkungsfaktor her. Das heißt, dass eine gute Röhre einen geringen
Durchgriff hat, weil so die Verstärkung möglichst groß ist. Die ECC83 von Lorenz
hat wie alle Röhren dieses Typs einen Verstärkungsfaktor von 100, der für
Trioden beachtlich hoch ist.
 Innerer Widerstand:
Wie fast alle Bauteile hat jede Röhre einen elektrischen
Widerstand, da die Elektronen in der Röhre von der
Anode, an den Gittern vorbei zur Kathode durch das
Vakuum
fließen
müssen.
Deswegen
sieht
das
Ersatzschaltbild einer Triode auch so aus (Abb. 29). Ri ist
Abbildung 29 Ersatzschaltzeichen
jener Widerstand, den eine Röhre bei einer Veränderung des Anodenstromes
aufweist. Daher ist der Innenwiderstand
, wobei die Gitterspannung
konstant gehalten werden muss. Wie so oft bei Röhren kann man den Wert
rechnerisch und grafisch ermitteln. Geometrisch betrachtet, benötigt man dazu
52
vgl. Otto Diciol, 2008, S. 13
25.01.2010
24 | S e i t e
die Ua – Ia Kennlinien, bestimmt zwei beliebige Punkte und berechnet dann mit
der oben genannten Formel den Innenwiderstand. Abbildung 30 zeigt die
grafische Berechnung mit GeoGebra. Falls man einen ganz genauen Wert für Ri an
einen Punkt erhalten möchte, muss man eine Tangente an den Punkt legen und
dann
die
Steigung
messen oder errechnen.
Je steiler die Tangente,
desto kleiner ist Ri.
Man darf Ri aber nicht
mit
dem
Gleichstromwiderstand
R verwechseln, der im
Punkt D in der Grafik
zum
beträgt,
Beispiel
wogegen
der
Abbildung 30 - Innerer Widerstand
Innere Widerstand nur
beträgt.
 Zusammenhang zwischen S, D und Ri:
Es gibt einen einfachen Zusammenhang zwischen den drei Größen Steilheit,
Durchgriff und Innenwiderstand, den Heinrich Georg Barkenhaus formuliert hat,
nämlich
. Die algebraische Richtigkeit dieser Formel erkennt man,
wenn man die Variablen durch ihre Definitionen ersetzt und dann den Ausdruck
kürzt:
=1. Es müssen sich aber alle Werte auf
denselben Betriebspunkt der Röhre beziehen, damit die Gleichung Gültigkeit
besitzt. Als eigentliche Schlussfolgerung ergibt sich, dass man die Kennwerte
einer Triode (gilt auch für Mehrgitterröhren) nicht beliebig wählen kann. Man
kann keine höhere Steilheit fordern, ohne dass man bei D oder Ri Abstriche
macht.
25.01.2010
25 | S e i t e
9 Kennlinien von Elektronenröhren:
Kennlinien von Elektronenrohren sind neben den
enndaten die wichtigsten
Betriebsdaten von Rohren. Alle diese Daten mussen in den Datenblattern der Hersteller
angegeben werden. Im Anhang finden Sie zwei komplette Datenblätter einer ECC83S
von JJ-Electronics und einer EL84 ebenfalls von JJ-Electronics.
Man unterscheidet grundsätzlich zwei Kennlinien, die in Datenblättern immer
angegeben sind:
9.1 Ug – Ia Kennlinien:
Solche Kennlinien stellen einen
Zusammenhang
zwischen
der
Gitterspannung
und
dem
Anodenstrom,
bei
Anodenspannung,
Kennlinien
indem
konstanter
her.
werden
man
eine
Diese
gemessen,
konstante
Anodenspannung anlegt und den
Anodenstrom
bei
vielen
Gitterspannungen misst, um so
einen durchgehenden Graphen zu
Abbildung 31 - Kennlinienmessung
erhalten. Man kann sehen, dass im
Datenblatt der ECC83S von JJ-Electronics der Graph für mehrere Werte
dargestellt ist. Dies ist eine übliche Vorgehensweise, da die Anodenspannung
zwischen den Grenzwerten frei wählbar ist. Im Englischen werden diese
Kennlinien als transfer characteristics bezeichnet.
9.2 Ua – Ia Kennlinien - Ausgangskennlinien:
Solche Kennlinien zeigen, wie sich der Anodenstrom bei unterschiedlichen
Anodenspannungen verhält, wenn das Gitter eine feste negative Spannung
aufweist. Um diese Kennlinien darzustellen, wird ein ganz ähnlicher
Versuchsaufbau, wie der zur Messung der Ug – Ia Kennlinien verwendet. Man legt
eine feste Spannung am Gitter an, verändert nun die Anodenspannung und misst
25.01.2010
26 | S e i t e
den Anodenstrom. Dies wird mit vielen repräsentativen Gitterspannungen
wiederholt, um somit Kennlinien
für
den
gesamten
erlaubten
Gitterspannungsbereich
abzubilden.
In
Datenblättern
werden
Kennlinien
englischen
als
solche
plate
characteristics bezeichnet.
Zusätzlich
wird
die
Leistungshyperbel angegeben, die
den nutzbaren Bereich nach oben hin
Abbildung 32 - Kennlinienmessung
abgrenzt. Sie entspricht der maximal erlaubten Anodenverlustleistung. Diese
wird errechnet durch die Formel
. Dieser Wert gibt also einen
Grenzwert an, der vom Rohrent p und vom Rohrenhersteller abhängig ist. Durch
das schnelle Aufprallen der Elektronen wird das Anodenblech erhitzt, was bei zu
hohen Temperaturen zu Schäden führen kann. Bei der ECC83S von JJ-Electronics
liegt die maximale Anodenverlustleistung bei einem Watt. Falls dieser Wert
dauerhaft oder über einen längeren Zeitraum überschritten wird, kann die Röhre
schwer beschädigt, zerstört oder im besten Fall die Lebensdauer der Röhre
verkürzt werden.
Baut man eine Schaltung, gibt es darüber hinaus noch andere Faktoren, die die
Kennlinien begrenzen. Es muss beachtet werden, dass die Anodenspannung
einen gewissen Wert nicht überschreiten darf, weil sonst ein Überschlag
zwischen Anode und Kathode möglich ist.53 Für die ECC83S liegt die maximale
Anodenspannung bei 300V.
Außerdem soll die Verzerrung oft gering gehalten werden. Deswegen ist es nötig,
nur die Bereiche der Kennlinien zu benutzen, die möglichst linear verlaufen.
Damit fällt der untere Bereich der Kennlinien weg.
53
vgl. Basislektüre S.27
25.01.2010
27 | S e i t e
In der Grafik rechts
sieht
man
die
Abgrenzungen
der
Kennlinien
bei
einer
AD1. Bei dieser Röhre
handelt es sich um eine
Endstufentriode,
die
heute praktisch nicht
mehr eingesetzt wird. Bei
Abbildung 33 - AD1 Kennlinienbeschränkungen
dieser Abgrenzung wurde
sogar darauf geachtet, dass ein gewisser Puffer vorhanden ist, der verhindern soll, dass
Gitterstrom fließt.
10 Grundsätzlicher Aufbau eines Gitarrenverstärkers mit Röhren:
Man kann jeden vollwertigen Gitarrenverstärker in verschiedene Bereiche gliedern,
zumindest in Vorstufe (pre-amp) und Endstufe (power-amp). Die Verstärkung eines
Signals, also einer Spannung, mündet in die Umwandlung in einen Lautsprecherstrom,
der stark genug ist, um ihn als Schall hörbar zu machen.
Da normalerweise die Eingangsspannung nicht ausreicht, um eine genügend große
Aussteuerung der Endstufen zu erreichen, müssen sogenannte Vorstufen in die
Verstärkerschaltung integriert werden. Alle Vorstufen sollen die Eingangsspannung
verstärken, oder mit anderen Worten, deren Amplitude vergrößern. Somit reicht die
Amplitude zur genügend großen Aussteuerung einer Endstufe aus. Für diesen Zweck
werden meist Trioden eingesetzt, oder auch spezielle Vorstufenpentoden.54
Vorstufenröhren können auch andere Aufgaben haben, als die simple Verstärkung eines
Signals. Deswegen wird zwischen Vor- und Endstufe oft eine Zwischenstufe geschaltet.
Diese hat mehrere mögliche Aufgaben. Beispielsweise müssen bei Gegentaktendstufen
zwei Trioden so geschaltet werden, dass sie Steuersignale bereitstellen, die jeweils um
180° phasenverschoben sind. In diesem Fall ist eine Verstärkung irrelevant. Solche
Schaltungen werden deswegen als Phasendreher oder kurz als PI, für phaseinverter,
54
vgl. NF-Verstärkung S.1, Basislektüre S.26
25.01.2010
28 | S e i t e
bezeichnet.
Diese
werden
in
folgenden
Kapiteln
noch
genauer
betrachtet.
In manchen Verstärkern werden sogenannte gepufferte Effektwege eingebaut. Ein
Effektweg wird zwischen den ersten Vorstufen- und den Endstufenröhren bzw. dem
Phaseninverter verbaut. An dieser Schnittstelle kann das Klangsignal dem Effektgerät
zugeführt (send) und entsprechend verändert wieder aufgenommen werden (return). 55
Es sollen aber erfahrungsgemäß nicht alle Effektgeräte auf diese Weise angeschlossen
werden, da es so zu Klangeinbußen kommen kann.
Oft wird eine Zwischenstufe nach der Klangregelung eingebaut, um das dort
abgeschwächte Signal wieder zu verstärken. Dies geschieht meist mit
einer einfachen Kathoden-Basis-Schaltung, die noch genau behandelt
werden wird. Unter Klangregelung versteht man meist eine
Schaltung, mit der man verschiedene Frequenzbänder entweder
bevorzugen oder benachteiligen kann. Dies ist eine einfache und sehr
effektive Methode den Klang nachzubessern.56 In Gitarrenverstärker
sind meist passive Klangsteller eingebaut. „Der Begriff, passive
Klangregelung‘ besagt, dass die frequenzabhängige Filterung nur
Abbildung 34 Tonestack
durch passive Bauteile, also Widerstände und Kondensatoren
erfolgt.“.57 Aktive Klangregelungen werden nur selten verbaut, denn in diesen ist eine
Röhre eingebunden, was mit einem hohen Schaltungsaufwand einhergeht. Aktive sowie
passive Klangregelungen sind von den Herstellern selbst entwickelte Schaltungen und
werden somit nur in ihre Verstärker integriert. Abbildung 34 zeigt die Klangregelung
eines Vox AC-30. Sie besteht aus zwei Widerständen, drei Wickelkondensatoren und
zwei Potentiometern (Spannungsteilern), mit denen man die Höhen- und die Bassanteile
regeln kann.
In den Grafiken der nächsten Seite sieht man den Frequenzgang dieser Klangregelung
bei verschiedenen Stellungen der Potentiometer:
Die Grafiken wurden mit dem Tone Stack Calculator erstellt, den man kostenlos
herunterladen kann.58
55
56
57
58
vgl. http://www.e-gitarren.info/e-gitarren-e/e-gitarren-e.html (Erstzugriff 20. Juli)
vgl. Manfred Zollner: Physik der Elektrogitarre, Regensburg 2009 (Vorveröffentlichung) 10.2.1
vgl. Manfred Zollner: Physik der Elektrogitarre, Regensburg 2009 (Vorveröffentlichung) 10.3.1
siehe http://www.duncanamps.com/tsc/
25.01.2010
29 | S e i t e
Standard Einstellung:
Beide Potentiometer stehen
auf 12 Uhr
Abbildung 35 - Frequenzgang
Bassbetonte Einstellung:
Dabei steht der Bass - Regler
auf Anschlag und der
Treble - Regler weiterhin
auf 12 Uhr.
Man kann deutlich den
Knick bei 1000Hz erkennen
(Mittenbereich).
Abbildung 36 - Frequenzgang
Stark höhenbetonte
Einstellung:
Nun steht der Treble Regler auf Anschlag und der
Bassregler wieder auf 12
Uhr.
Abbildung 37 - Frequenzgang
25.01.2010
30 | S e i t e
Oft wird auch betont, dass die Röhre dem Frequenzgang noch die letzte Note gibt und so
das Klangbild positiv verändert. Zahlreiche Werbungen für Vorstufenröhren, wie der
12AX7, preisen die tolle Ansprache im Bassbereich, die noch besseren Höhen und das
sehr cremige Übersteuerungsverhalten an. Hier muss man aber festhalten, dass die
Röhre an sich ein frequenzunabhängiges Bauteil ist.59 Natürlich ist es möglich, dass
verschiedene Röhren im Zusammenspiel mit einer Schaltung etwas anders klingen, aber
diese Klangeigenschaften, sowie das Übersteuerungsverhalten, können objektiv gesehen
nicht in ein Datenblatt gepresst werden. Wenn also eine 12AX7 von einem Hersteller als
besonders bassbetont bezeichnet wird, und dieser dafür den dreifachen Preis verlangt,
sollte man sich überlegen, ob das Geld gut angelegt ist, denn die 12AX7 kann Signale
schließlich „nur“ bis 0 Hz verstärken.60
Endstufen haben die Aufgabe eine möglichst hohe Leistung an den Widerstand, in
diesem Fall einen Lautsprecher, abzugeben. Um sehr hohe Leistungsabgaben zu
ermöglichen und um jeder Situation gerecht zu werden, wurden viele unterschiedliche
Schaltungen entwickelt, die später noch näher erläutert werden. Trotz all dieser
Entwicklungen arbeiten Röhrenendstufen extrem ineffizient, denn die meisten NFRöhren benötigen eine Heizung, dazu oft noch einen Kathodenwiderstand und
schlussendlich
wird
auch
noch
viel
Wärme
an
den
Anodenblechen
als
Anodenverlustleistung abgegeben. Deswegen liegt der Wirkungsgrad bei wenigen
Prozent. „In der Regel wird nicht einmal die Hälfte der in der Endstufe erzeugten Leistung
an den Lautsprecher abgegeben, der Rest wird in der/den Endröhre(n) in Wärme
umgewandelt.“61
Endstufen können neben der einfachen Anhebung der Ausgangsleistung auch noch als
Klangbildner eingesetzt werden. Diese „Endstufenzerre“ ist stark von der Schaltung
abhängig und gibt vielen Verstärkern die letzte Note. Sie wird in groben Zügen von der
Betriebseinstellung (dazu später mehr), vom Röhrentyp, von den elektrischen
Eigenschaften der verwendeten Röhre/Röhren und von dem Phasendreher sowie vom
Lautsprecher bestimmt.
59
60
61
vgl. Manfred Zollner: Physik der Elektrogitarre, Regensburg 2009 (Vorveröffentlichung) 10.5.10
vgl. Manfred Zollner: Physik der Elektrogitarre, Regensburg 2009 (Vorveröffentlichung) 10.2.2
vgl. Manfred Zollner: Physik der Elektrogitarre, Regensburg 2009 (Vorveröffentlichung) 10.5.2
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31 | S e i t e
Natürlich ist eine solche Übersteuerung nicht überall willkommen. Im Hi-Fi Bereich wird
verlangt, so wie der Name schon sagt, ein möglichst unverfälschtes Klangbild zu
erhalten. Um dies zu ermöglichen, ist ein Klirrfaktor k von unter 1% nötig.62 Die
meisten speziellen Endstufenschaltungen, die zu diesem Zweck entwickelt wurden,
erreichen sogar bei größerer Aussteuerung einen geringeren Wert. Auch Endstufen für
Gitarrenverstärker können bei niedriger Aussteuerung einen überraschend kleinen
Klirrfaktor haben. Beim VOX AC-30 kann er zum Beispiel nur 0,3% betragen.63
Der Aufbau im Detail ist bei jedem Verstärkertyp unterschiedlich. Alle haben zwar
gewisse Gemeinsamkeiten, trotzdem haben aber ganz marginal erscheinende
Aufbauunterschiede sehr großen Einfluss auf das Klangverhalten. Ein gutes Beispiel
dafür ist die Position der Klangregelung. Es macht durchaus einen Unterschied, ob sie
nach der ersten Vorstufe oder nach der zweiten oder gar nach der dritten geschaltet
ist.64 Dies hat mit den zahllosen Rückwirkungseffekten zu tun, die hier nicht näher
behandelt werden können.
Abbildung 38 - Aufbau eines Gitarrenverstärkers
62
63
64
vgl. http://www.amplifier.cd/Tutorial/Klirrfaktor/Klirrfaktor.htm (Erstzugriff 28.August)
vgl. Manfred Zollner: Physik der Elektrogitarre, Regensburg 2009 (Vorveröffentlichung) 10.5.52
vgl. Manfred Zollner: Physik der Elektrogitarre, Regensburg 2009 (Vorveröffentlichung) 10.3.1
25.01.2010
32 | S e i t e
11 Kathoden-Basis-Schaltung:
Die
Kathoden-Basis-Schaltung
grundlegende
Schaltung,
die
ist
in
eine
jedem
Verstärker mindestens einmal eingesetzt
wird.
Sie
Eigenschaften,
vereint
nämlich
die
besonders
einige
in
Gitarrenverstärkern erwünscht sind, wie
zum Beispiel:

Hoher Verstärkungsfaktor65

Hoher Eingangswiderstand

Umfangreiche mögliche Anpassungen
Abbildung 39 - Kathoden-Basis-Schaltung
Bei dieser Schaltung wird die zu verstärkende hochohmige Wechselspannung, wie zum
Beispiel ein Gitarrensignal, am Gitter angelegt. Das verstärkte Ausgangssignal wird dann
an der Anode abgegriffen.66
In Abbildung 39 ist ein grundlegender Schaltplan einer Kathoden-Basis-Schaltung
abgebildet. Wie man sieht, benötigt man mehrere Bauteile:

C1: Dieser hat die Aufgabe, jegliche Gleichspannung vom Gitter fernzuhalten.
Dieser wird als Koppelkondensator bezeichnet.

R1 oder auch Rg: Diesen Ohm’schen Widerstand bezeichnet man als
Gitterableitwiderstand, welcher die Aufgabe hat, am Gitter sitzende negative
Ladungen gegen Masse abzuleiten. Diese Erscheinung erklärt sich hierdurch:
Wenn das Gitter offen ist, sammeln sich negative Ladungen auf dem Gitter, das
somit innerhalb kürzester Zeit den Stromfluss zur Anode völlig unterbindet.
Dieser Widerstand hat also die Aufgabe die negativen Elektronen gegen Masse
abzuleiten.67 Darüberhinaus sorgt R1 dafür, dass das Gitter bei fehlendem
Eingangssignal auf einem definierten Wert, d.h. auf Masse ("0 V") liegt. 68
65
66
67
68
vgl. http://www.elektronikinfo.de/strom/roehrengrundschaltungen.htm (Erstzugriff 22.Juli)
vgl. http://www.elektronikinfo.de/strom/roehrengrundschaltungen.htm (Erstzugriff 22.Juli)
vgl. Basislektüre S.33
vgl. http://www.elektronikinfo.de/strom/katodenbasisschaltung.htm (Erstzugriff 22.Juli)
25.01.2010
33 | S e i t e

R3 oder auch Rk: Diesen Bauteil nennt man Kathodenwiderstand. Dieser
Widerstand wird benötigt, um eine negative Gittervorspannung zu erzeugen.
Diese
ist,
wie
bereits
erwähnt,
nötig
um
zu
verhindern,
dass
Abbildung 40 - Gittervorspannung
Gitterstrom fließt. In der Abbildung 40 sieht man deutlich, dass ohne die
Gittervorspannung während einer vollen Periode Gitterstrom fließen würde. 69
Dadurch wäre dann eine komplette Hälfte des Eingangssignals nicht mehr zu
hören, was natürlich zu einem sehr unangenehmen Klangeindruck führen würde.
Außerdem führt Gitterstrom sowohl dazu, dass das empfindliche Steuergitter der
Röhre stark belastet wird, was mit einem Totalausfall der Röhre enden kann, als
auch dazu, dass der Eingangswiderstand stark sinkt und somit die vorangehende
Schaltung überlastet wird. In Gitarrenverstärkern kann aber das sogenannte
Clipping („Wegschneiden“ eines Teils des Signals) auch bewusst als Stilmittel
eingesetzt werden, was mit einer Anpassung des Kathodenwiderstandes
durchgeführt werden kann.
69
vgl. Basislektüre S.35
25.01.2010
34 | S e i t e
Abbildung 42 – Röhren-Clipping
Abbildung 41 – Transistor-Clipping
Anhand der zwei Grafiken kann man den Unterschied zwischen Röhren-Clipping
und Transistor-Clipping erkennen. Abbildung 42 zeigt soft-clipping einer ECC83
bei 1kH. Rechts sieht man typisches Transistor-Clipping. Die Unterschiede kann
man mit freiem Auge leicht erkennen, achtet man auf die unterschiedlichen
Kanten. Links sind sie abgerundet und selbst der abgeschnittene Teil hat noch
eine Wölbung. Dagegen ist Clipping bei einem Transistor eine „Alles-Oder-Nichts
Frage“. Man kann scharfe Ränder und Kanten erkennen. Das wirkt sich natürlich
stark auf den Klang aus, und somit ist das Clipping-Verhalten von Röhren ein
Grund, warum sie in Gitarrenverstärkern eingesetzt werden. Darüber hinaus ist
es bis heute kaum möglich, mit Transistoren ein exakt gleiches Verhalten zu
reproduzieren.70
Theoretisch wäre es auch möglich, diese Gittervorspannung mit einer extra
Spannungsquelle zu erzeugen, aber dieser Schaltungsaufwand bringt bei
Vorstufen keinerlei Vorteile.
Die Spannung, die am Kathodenwiderstand abfällt, bezeichnet man als BiasSpannung, die der Spannungsdifferenz zwischen Masse (Nullpunkt) und dem
Kathodenanschluss der Röhre entspricht.71 Sie wird berechnet, indem man den
Ruhestrom im Arbeitspunkt mit dem Wert des Widerstandes multipliziert:
. Uk entspricht also der Gittervorspannung. Somit hat der
Kathodenwiderstand ebenfalls die Aufgabe, den Arbeitspunkt der Röhre
vgl. http://www.freewebs.com/valvewizard1/gainstage.html (Erstzugriff 13.Okt)
vgl. http://www.moehrenbude.de/Moehre/modules.php?name=Content&pa=showpage&pid=49
(Erstzugriff 22. Juli), http://www.elektronikinfo.de/strom/katodenbasisschaltung.htm (Erstzugriff
22.Juli)
70
71
25.01.2010
35 | S e i t e
festzulegen.72 Darauf wird noch später genauer eingegangen. „Da Ug1 durch den
Anodenstrom selbst erzeugt wird, spricht man von einer automatischen
Gittervorspannung.“73

C3 oder Ck: Dieser Kondensator ermöglicht einen höheren Verstärkungsfaktor,
denn er wirkt für den Wechselstromanteil des Anodenstroms wie ein
Kurzschluss.
Der
Anodenwechselstrom
muss
nun
nicht
durch
den
Kathodenwiderstand, sondern kann über den Kondensator fließen.74 Wenn
dieser Kondensator fehlt, dann schwankt der Spannungsabfall an Rk im Gegentakt
zur Aussteuerung des Gitters. Wenn die Gitterspannung steigt, erhöht sich der
Anodenstrom der einen höheren Spannungsabfall an Rk erzeugt. Dadurch wird
das Gitter negativer vorspannt. Diese Erscheinung ist höchst problematisch, weil
sie
die
Verstärkung
der
ganzen
Schaltung
wesentlich
verringert
(Gegenkopplung).75 Wählt man nun eine hohe Kapazität des Kondensators, wird
die Verstärkung breitbandig angehoben. Der Wechselstromwiderstand eines
Kondensators beträgt
. Somit wirkt er auch als Klangfilter, also als
Hochpass. „Dieser wird in der Regel so bemessen, dass sein kapazitiver Widerstand,
geltend bei der tiefsten zu übertragenden Frequenz, ca. 10mal kleiner ist als der
Widerstandswert von Rk.“76 Wenn man jetzt von einer Grenzfrequenz von 50Hz
bei einem Gitarrenverstärker ausgeht und Rk einen Widerstand von 1,5k
aufweist, muss der Kondensator eine Kapazität von ungefähr 0,2F aufweisen.

R2 oder auch Ra: Durch diesen Widerstand entsteht ein veränderlicher
Spannungsabfall, durch den erst eine Verstärkung möglich wird. Dieser wird als
Arbeitswiderstand
bezeichnet.
An
diesem
Widerstand
wird
die
Betriebsspannung angelegt, die je nach Röhre und Schaltung sehr unterschiedlich
sein kann. In Gitarrenverstärkern liegt diese meist zwischen 150V und 600V.

C2: Durch diesen sogenannten Koppelkondensator wird die verstärkte
Wechselspannung zur nächsten Stufe geleitet (das Signal wird „ausgekoppelt“).77
72
73
74
75
76
77
vgl. Basislektüre S.35
Basislektüre S.35
vgl. Basislektüre S.35
vgl. Grundsätzlicher Röhrenverstärker S.7
Basislektüre S.35
vgl. Grundsätzlicher Röhrenverstärker S.6
25.01.2010
36 | S e i t e
Für eine Kathoden-Basis-Schaltung als erste Verstärkerstufe (abgekürzt V1) ist ein
weiteres Bauteil nötig. Der Kondensator C1 wird normalerweise weggelassen und
stattdessen ein ohmscher Widerstand vor dem Gitter platziert. Dieser Widerstand wird
als Grid-Stopper bezeichnet und verhindert, dass die Verstärkerstufe zu einem Audion
wird.78 „Das Audion ist eine Empfängerschaltung aus der Anfangszeit der Röhrentechnik.
Die Röhre erfüllt gleichzeitig drei Aufgaben: Entdämpfung des Schwingkreises,
Demodulation des HF-Signals und Verstärkung des gewonnenen NF-Signals.“79 Einfach
ausgedrückt ist ein Audion ein Radio. Darüber hinaus begrenzt der Grid-Stopper den
Gitterstrom und beeinflusst auch das Klangverhalten der Vorstufenröhre.
Wie schon erwähnt, wird bei jeder Kathoden-BasisSchaltung ein Widerstand zwischen Masse und der
Röhrenkathode geschaltet. Dieser hat zwei Aufgaben:

Erzeugung der Gittervorspannung

Einstellung des Arbeitspunktes
Der Arbeitspunkt spielt in Verstärkerschaltungen eine
entscheidende Rolle. Als Arbeitspunkt bezeichnet man
jenen Punkt auf den Ug - Ia Kennlinien, der beschreibt
welcher Anodenstrom fließt, falls „kein Signal“ am Gitter
anliegt. Man darf nicht vergessen, dass kein Signal nicht
Ug1=0V bedeutet, sondern Ug1 = -Uk. In der Grafik rechts
wird der Arbeitspunkt als A bezeichnet. Wenn nun keine
Wechselspannung am Gitter anliegt, fließen in A ungefähr
Abbildung 43 - Arbeitspunkt
1,8mA. Die roten Punkte beschreiben den Bereich, in dem
die Röhre arbeiten soll. Also kann sie eine Wechselspannung mit einer Amplitude von
1,3V ohne grobe Verzerrungen verstärken. Trotzdem ist bei diesem Beispiel der
Arbeitspunkt nicht ideal gewählt, weil die Kennlinie zwischen den Punkten bei weitem
nicht linear ist. Deswegen treten Verzerrungen auf, die aber nicht unbedingt störend
wirken, sondern auch erwünscht sein können.
Man berechnet den Kathoden-Widerstand, indem man eine Gittervorspannung
auswählt, die für den spezifischen Einsatz der Röhre passend ist, und dividiert diesen
78
79
vgl. http://www.aikenamps.com/InputRes.htm (Erstzugriff 1. August)
http://www.elexs.de/ef955.htm (Erstzugriff 1.August)
25.01.2010
37 | S e i t e
Wert durch den im Arbeitspunkt fließenden Anodenstrom. Somit ist
. Dieser
Zusammenhang gilt bei Trioden. Bei Mehrgitterröhren muss darauf geachtet werden,
dass neben dem Anodenstrom auch andere Ströme fließen. Bei Pentoden muss man
deswegen zu Ia0 auch noch den Schirmgitterstrom addieren. Also ist Rk bei Pentoden
.
11.1 Verstärkung eines Audiosignals durch eine Kathoden-Basis-Schaltung:
Falls eine Wechselspannung am
Gitter anliegt, kommt es zu einer
Anodenstromänderung. Wenn das
Gitter positiver wird, steigt der
Anodenstrom, wenn das Gitter
negativer
wird,
sinkt
der
Anodenstrom. Diese Änderung hat
nun im Arbeitswiderstand einen
Spannungsabfall zur Folge. Das
bedeutet,
dass
der
Spannungsverbrauch umso höher
ist, je höher der Anodenstrom ist.
Damit ist die Anodenspannung
gegenüber der Eingangsspannung
um 180° phasenverschoben.
Abbildung 44 - Phasenlage
Deswegen werden solche Verstärker als invertierende Verstärker bezeichnet.80 Diese
Phasenverschiebung hat aber keinerlei Einfluss auf den Klang. Diese Spannung kann
jetzt durch einen Kondensator, den Koppelkondensator, zur nächsten Stufe geleitet
werden.
80
vgl. http://www.elektronikinfo.de/strom/katodenbasisschaltung.htm
25.01.2010
38 | S e i t e
Bei der Berechnung der Verstärkung ist zu beachten, dass die Anodenspannung bei
Trioden auf zwei verschiedene Einflüsse zurückgeführt wird.81 Man kann aber ganz
grundsätzlich festhalten, dass die Spannungsverstärkung mit
beschrieben werden
kann.
1. Die direkte Steuerwirkung des Gitters.
Wie schon erwähnt, kann man durch die am Gitter anliegende Spannung den
Anodenstrom steuern. Der Anodenstrom beträgt daher
2. Die Wirkung der Anodenspannung auf den Anodenstrom.
Wie schon bei den Kenndaten von Röhren erklärt wurde, hat auch die
Anodenspannung einen Einfluss auf den Anodenstrom, der als Durchgriff
bezeichnet wird. Hierbei ist
Multipliziert man nun die ganze Gleichung mit S, erhält man folgenden Ausdruck:
(diese Formel ergibt sich auch durch die Definition
des Durchgriffs D)
Wie bei Punkt 1 erklärt, entspricht
der Anodenstromänderung.
Deswegen kann man schreiben
Nun hat man zwei Ausdrücke, die beide Änderungen des Anodenstroms
beschreiben.
82
In der Formel werden die einzelnen Anodenstromänderungen einmal addiert,
denn wenn die Gitterspannung steigt, wird
Falls die Gitterspannung sinkt wird
größer,
größer,
hingegen kleiner.
durch die höhere Anodenspannung
aber kleiner.
Bei Tetroden und Pentoden muss man darüber hinaus berücksichtigen, dass das
Schirmgitter ebenfalls Einfluss auf den Anodenstrom hat, der viel größer ist als
die Anodenspannung. Deswegen fügt man einen weiteren Parameter hinzu,
nämlich einen Durchgriff des Schirmgitters:
81
82
83
vgl. Basislektüre S.23
vgl. Basislektüre S.23
vgl. Otto Diciol S.16f
25.01.2010
.83 Damit ist der
39 | S e i t e
Anodenstrom von drei Parametern abhängig:
Steuerspannung, Anodenspannung und Schirmgitterspannung
Somit kann man den Anodenstrom so beschreiben:
In modernen Datenblättern ist der „Schirmgitterdurchgriff“ nicht mehr definiert,
er ist aber in manchen alten Datenblättern noch zu finden. Der
Schirmgitterdurchgriff wird bei einer EL12 zum Beispiel mit 6% spezifiziert.
Wenn man sich eine Kathoden-Basis-Schaltung (Englisch „gain-stage“) genauer ansieht,
darf man nun nicht mehr mit den Ug - Ia Kennlinien arbeiten, sondern muss die Ua - Ia
Kennlinien verwenden. Die Gründe dafür wurden schon genannt.
In der nächsten Grafik sieht man die Arbeitsgerade der ersten Stufe eines Vox AC-30.
Abbildung 45 - Arbeitsgerade Vox AC-30 V1
25.01.2010
40 | S e i t e
11.2 Dimensionierung einer Kathoden-Basis-Schaltung:
Natürlich kann man die Werte für die zahlreichen Bauteile nicht beliebig wählen. Will
man eine Stufe konstruieren, muss man zuerst verschiedene Daten sichten. Zuerst
einmal das Datenblatt der verwendeten Röhre und weiter Daten, die oft nur Faustregeln
darstellen.

Die Wahl der Größe des Gitterableitwiderstandes kann beliebig zwischen den
Maximalwerten der verwendeten Röhre gewählt werden. Er weist oft Werte von
50k bis 1M auf, wobei beachtet werden muss, dass
„[…] das Ableitvermögen von Rg umso größer ist, je
kleiner die Ohmzahl ist.“84 Wenn man nach dieser
Faustregel eine Stufe aufbaut, drängt sich natürlich
der Gedanke auf, dass man den Widerstand auch
gleich durch einen Draht ersetzen kann, der praktisch
keinen Widerstand besitzt. Trotzdem wird diese
Abbildung 46 - Vorstufe
Methode nicht angewandt, weil das Fehlen dieses Widerstands die Verstärkung
der vorherigen Stufe reduziert, denn der Gitterableitwiderstand und der
Arbeitswiderstand bilden durch die Parallelschaltung den effektiv wirkenden
Arbeitswiderstand.85
Man darf den Gitterableitwiderstand aber auch nicht zu groß wählen, da immer
ein wenig Gitterstrom fließt. Dadurch entsteht an Rg eine Spannung
.
Diese ist in Serie mit Ug1 geschaltet. Damit ist die Gittervorspannung nicht mehr
konstant, sondern sie ist von Ig abhängig. Wie schon erwähnt, hat die
Gittervorspannung Einfluss auf den Arbeitspunkt.86 Dieser soll möglichst
konstant sein. Deswegen darf Rg nicht zu groß gewählt werden, da sich somit der
Arbeitspunkt stark verschieben kann.
84
85
86
vgl. Basislektüre S.33
vgl. Basislektüre S.33
vgl. http://www.elektronikinfo.de/strom/katodenbasisschaltung.htm
25.01.2010
41 | S e i t e
Will man die Gittervorspannung nicht durch einen Kathodenwiderstand
erzeugen sondern mit dem Anlaufstrom, muss Rg
mindesten einen Widerstand 5M haben.87 Diese
Schaltung wird sehr selten eingesetzt und kann
überhaupt nur im NF-Bereich verwendet werden,
da dort eine niedrige Gittervorspannung ausreicht.
Darüber hinaus kann man die resultierende
Spannung nicht berechnen, das heißt, dass aus
Versuchen Faustregeln entstanden sind. Durch Rg
fließt immer ein (extrem geringer) Gitterstrom, da
immer ein paar Elektronen auf das Gitter prallen
Abbildung 47 Gitteranlaufstrom
und dann über Rg gegen Masse abfließen. Deswegen kommt es in Rg zu einem
Spannungsabfall, der genau der negativen Gittervorspannung entspricht. Somit
ist der Spannungsabfall umso größer, je größer Rg ist. Üblicherweise beträgt
dieser ungefähr 1V bis 3V.88 Im Anhang befindet sich ein Versuchsprotokoll, in
dem meine Experimente festgehalten sind.

Bei der Wahl der Kapazität von C1 muss man vorher eine Grenzfrequenz
bestimmen. Für Gitarrenverstärken liegt diese bei ungefähr 20Hz, da man
unterhalb dieses Schwellenwertes solche Schwingungen nicht mehr als Schall
wahrnimmt. Dieser Kondensator bildet mit dem Eingangswiderstand einen
Hochpass. Somit kann man die Kapazität durch eine Gleichung errechnen.
. Dieser Wert ist ein grober Richtwert. Es
macht praktisch keinen Unterschied ob man die Grenzfrequenz als 20Hz oder als
16Hz oder gar als 50Hz festlegt.

Keine großen Anpassungsprobleme gibt es beim Grid-Stopper. Entweder
vergleicht man die Größe des Widerstands mit ähnlichen Schaltungen oder
befolgt die Empfehlungen in den Datenblättern. Eine häufig verwendete Ohmzahl
bei der ersten Stufe ist 68k.

Darüber hinaus kommt auch der Wahl einer geeigneten Röhre erhebliche
Bedeutung zu. Die Wahl richtet sich nach vielen Kriterien, hier ein Auszug davon:
o benötigte Verstärkung
87
88
vgl. Versuchsprotokoll Gittervorspannungserzeugung durch den Anlaufstrom bei Trioden
vgl. Röhrenverstärker Überblick S.7
25.01.2010
42 | S e i t e
o nach der Dimensionierung des Netzteils
o Grad der gewünschten Verzerrung

Bei der Wahl des Arbeitswiderstands müssen viele Faktoren berücksichtigt
werden. Eine geschickte Wahl des Arbeitspunktes und des Arbeitswiderstandes
ermöglichen eine effiziente Nutzung der Röhre. Außerdem beeinflussen diese
maßgeblich das Klangverhalten der Stufe. Im Kapitel über die Röhrenkennlinien
wurden bereits einige Faktoren genannt. Auch die Betriebseinstellungen von
Endstufen sind maßgeblich von dem Arbeitspunkt abhängig. Diese werden im
Kapitel Endstufen behandelt. Wenn man nun eine Vorverstärkerstufe
konstruieren will, kommt der Wahl des Arbeitspunktes (AP) eine große
Bedeutung zu. Durch ihn kann bestimmt werden, wie weit, wie stark und unter
welchen Umständen die Röhre übersteuert wird. Es wurde bereits das Clipping
erwähnt. Darüber hinaus kann man den Arbeitspunkt so festlegen, dass Teile des
Signals bewusst „abgeschnitten“ werden. Diese Eigenschaft nennt man Cut-off.
Abbildung 48 - Cut-off AC-30
25.01.2010
43 | S e i t e
Abbildung 48 zeigt, wie der Arbeitspunkt
einer Vorstufenröhre liegen müsste,
damit ein Teil des Signals abgeschnitten
wird.
Mit
einem
(Spannungsteiler)
Potentiometer
kann
man
dann
regeln, wie groß die Amplitude der
Signalspannung ist, die zum Beispiel von
der ersten Stufe kommt, und kann somit
den Grad der Übersteuerung ganz genau
Abbildung 49 - Cut-off
einstellen.
Am Oszillografen sieht es folgendermaßen aus. Abbildung 49 zeigt deutlich, dass
ein Teil der Sinusschwingung nicht mehr normal verläuft, sondern geradlinig.
Zusätzlich ist in dieser Grafik auch noch das Eingangssignal am Gitter dargestellt,
das
phasengedreht
und
vergrößert
wurde.
Natürlich kann man beide Techniken parallel verwenden. Einige Voraussetzung
ist ein genügend großes Signal, das ausreicht, damit die Röhre auf der einen Seite
sperrt, auf der anderen Seite aber Gitterstrom fließt.
12 Die Anoden-Basis-Schaltung:
Die Anoden-Basis-Schaltung, auch Kathodenfolger (Kathode-Follower) genannt, wird
in Gitarrenverstärkern selten in der Vorstufenschaltung eingesetzt, weil sie als
Impedanz-Wandler
(Stromverstärker)
wirkt und keine Spannungsverstärkung
verursacht.
Wenn
ein
Kathodenfolger
eingebaut ist, dann ist er üblicherweise die
Ausgangsstufe des Vorverstärkers, um den
Phasendreher oder die Endstufe mit der
idealen Impedanz anzusteuern, denn oft ist
die sehr hohe Ausgangsimpedanz einer
Kathoden-Basis-Schaltung sehr störend. 89
89
Abbildung 50 - Kathodenfolger
vgl. http://www.elektronikinfo.de/strom/katodenfolger.htm (Erstzugriff 23. August 09)
25.01.2010
44 | S e i t e
Wie auch bei der Kathoden-Basis-Schaltung wird das Eingangssignal am Gitter angelegt.
Nun wird das Ausgangssignal nicht an der Anode sondern an der Kathode abgenommen.
Im Gegensatz zur Kathoden-Basis-Schaltung wird beim Kathodenfolger die Phase nicht
gedreht.90 Darüber hinaus ist der Klirrfaktor, also die Verzerrung, einer solchen Stufe im
Normalfall minimal.91

C1: Dieser Kondensator hat die Aufgabe, jegliche Gleichspannung vom Gitter
fernzuhalten.

R1 und R2: Diese zwei ohmschen Widerstände sorgen dafür, dass das Gitter der
Triode bei fehlendem Eingangssignal auf einem definierten Wert liegt. In diesem
Fall auf

.
R3 oder Rk: Durch diesen Widerstand wird die Gittervorspannung erzeugt. Dieser
Widerstand muss deutlich größer sein als bei einer Kathoden-Basis-Schaltung,
weil die Spannung, die abfallen muss, im Normalfall deutlich höher ist.

C2: Durch diesen Kondensator kann keine Gleichspannung an die nachfolgenden
Bauteile gelangen.
Auch die Funktion dieser Schaltung ist in wenigen Sätzen erklärt. Wenn die
Gitterspannung schwankt, führt das zu einer Schwankung des Kathodenstromes, der
dann am Kathodenwiderstand eine Spannungsänderung hervorruft, die dann zur
nächsten Stufe weitergeleitet werden kann. Diese Spannungsschwankung ist meist
etwas kleiner als die Eingangsspannung.
Als
Schaltungsbeispiel
wird
Marshall
JCM800
2204
dienen,
der
in
der
Vorstufenschaltung als letzte Stufe einen Kathoden-Folger eingebaut hat. Auch der AC30 besitzt eine solche Ausgangsstufe, diese ist aber nicht ganz trivial und arbeitet unter
ganz besonderen Umständen.
90
91
vgl. http://www.frihu.com/content/diy/allgemein/roehrengrundschaltungen.html
vgl. Grundsätzlicher Röhrenverstärker S.9
25.01.2010
45 | S e i t e
V2a ist eine normale Kathoden-BasisSchaltung, die gleichstrommäßig mit dem
Gitter
des
Kathoden-Folgers
(V2b)
gekoppelt ist. Da der Schaltplan mit
Spannungsangaben versehen ist, kann man
auch die Funktion leichter nachvollziehen.
Wenn nun das Gitter von V2a schwankt,
entsteht eine Anodenwechselspannung, die
dann direkt am Gitter von V2b anliegt.
Dadurch schwankt auch der Strom der
zweiten Triode. Da diese Röhre (ECC83)
nur
einen
sehr
geringen
Gitterstrom
verkraftet, darf das Gitter nur schwach
positiv
werden.
Deswegen
muss
die
Gittervorspannung (100k Widerstand) so
bemessen werden, dass diese größer ist als
die
Ruhe-Anodengleichspannung.
In
Abbildung 51 - Marshall JCM800 2204
diesem Fall ist die Gittervorspannung um
1V größer als die Anoden-Gleichspannung. Somit ist die Schaltung so konstruiert, dass
sie absichtlich erhebliche Verzerrungen erzeugt, weil während eines Teils des positiven
Signals Gitterstrom fließt. Somit steigt auch der Strom in der ersten Triode begrenzt an,
da
die
hochohmige
Ansteuerung
größere
Gitterströme
verhindert.
Bei der Dimensionierung einer solchen Schaltung ist ein Wert besonders zu beachten,
und zwar der maximale Uk/f – Wert. Dieser Grenzwert, der vom Röhrentyp abhängt, gibt
die maximal zulässige Spannung zwischen Kathode und Heizfaden an. Bei einer ECC83,
wie sie auch im Marshall verwendet wird, liegt dieser Grenzwert bei 180V (kann
nochmal im Datenblatt nachgeschlagen werden). Somit betreibt dieser Amp die Röhre
außerhalb der zugelassenen Grenzwerte, was sich schnell durch einen Röhrenausfall
oder
durch
einen
veränderten
Klang
bemerkbar
machen
kann.
Über den Kondensator von V2b wird dann das Signal zum Tone Stack und dann weiter
über das Master Volume Potentiometer zum PI weitergeleitet.
25.01.2010
46 | S e i t e
13 Der Phasendreher:
Wie schon im
apitel „Grundsätzlicher Aufbau eines Gitarrenverstärkers mit Röhren“
erläutert, hat der Phasendreher (kurz auch PI für phase inverter, oder auch phasesplitter genannt) die Aufgabe, die Endstufenröhren von Gegentakt-Endstufen mit
entgegengesetzten (um 180° verschobenen) Steuersignalen zu versorgen. Also werden
aus einem Steuersignal zwei ungleiche erzeugt. Abbildung 52 soll die Phasenlage noch
einmal verdeutlichen.
Abbildung 52 – Phasenlage
Bei einer Phasenumkehrstufe ist eine nennenswerte Verstärkung irrelevant, denn das
Qualitätsmerkmal einer hochwertigen Phasenumkehrstufe besteht darin, zwei möglichst
gleiche, symmetrische Signale zu erzeugen, um die nachfolgende Endstufe möglichst
linear auszusteuern und auch (bei Bedarf) zu übersteuern.92 Deswegen werden meist
Trioden verwendet.
Es wurden mehrere Schaltungen entwickelt, die für solche Zwecke geeignet sind:
1. Kathoden-Basis-Schaltung:
Diese Schaltung wurde bereits
erklärt und mit einigen kleinen
Modifikationen wird sie zum
Phasendreher. Diese Schaltung
nennt man dann ParaphaseSchaltung.
Schaltplan
Wie
man
entnehmen
dem
kann,
wird die erste Triode mit dem
Signal der Vorstufe gespeist. Über
92
Abbildung 53 - Kathoden-Basis-Schaltung als PI
vgl. http://www.moehrenbude.de/Moehre/modules.php?name=Content&pa=showpage&pid=50
25.01.2010
47 | S e i t e
den Koppelkondensator wird die Spannung zum Gitter der zweiten Triode
geleitet, die dann eine gegenphasige Ausgangsspannung erzeugt. Trotz des
einfachen
Prinzips,
des
einfachen
Aufbaus
und
der
großen
Spannungsverstärkung ist diese Schaltung nicht wirklich geeignet, da die
gegenphasigen Ausgangssignale nie wirklich gegenphasig und gleich groß sind,
weil sie stark von den individuellen Eigenschaften der Trioden beeinflusst
werden. Dadurch wird die Endstufe sehr unsymmetrisch angesteuert, was zu
einem erheblichen Klirrfaktor führt, der nur manchmal erwünscht ist. Trotzdem
ersetzten die meisten Hersteller die Paraphase-Schaltung durch andere
Phasendreher.93
2. Differenzverstärker:
Der Differenzverstärker ist die Phasendreherschaltung, die am häufigsten in
moderneren
Gitarrenverstärkern
eingesetzt wird. Sie steht am Ende einer
längeren Entwicklungsreihe, die man
bei Fender gut nachvollziehen kann.
a. Paraphase (1946 – 1954)
b. Kathodyn (1955 – 1957)
c. Differenzverstärker (ab 1956)
Der Differenzverstärker besteht im
Großen
und
Ganzen
aus
zwei
Triodensystemen, die in der KathodenBasis-Schaltung und in der Gitter-Basis-
Abbildung 54 - Differenzverstärker
Schaltung geschaltet sind. Auf der Abbildung 54 sieht man eine schemenhafte
Darstellung, die auch die Phasenlage der einzelnen Spannungen noch einmal
verdeutlicht.
Die Funktionsweise, dass die Ausgangsspannungen der beiden Systeme um 180°
phasenverschoben
sind,
basiert
grundlegend
auf
einer
Steuerspannungsänderung in der zweiten Triode, die durch eine Änderung des
Kathoden- und Anodenstroms beider Trioden entsteht, wobei die Stromänderung
durch die Spannungsschwankung am Steuergitter der ersten Triode erzeugt
93
vgl. Manfred Zollner: Physik der Elektrogitarre, Regensburg 2009 (Vorveröffentlichung) 10.4.1
25.01.2010
48 | S e i t e
wird. Man muss hierbei beachten, dass mit der Steuerspannung nicht die
Eingangsspannung am Gitter gemeint ist. Vielmehr ist die Steuerspannung die
Summe aus allen Spannungsänderungen, die eine Anodenstromänderung
tatsächlich
verursachen.94
Dieses
Thema wurde bereits im Kapitel
Kathoden-Basis-Schaltung
mathematisch erläutert und wird
hier von erheblicher praktischer
Bedeutung
sein.
Wenn sich nun die Gitterspannung
am Gitter der ersten Triode ändert,
verändern sich der Anodenstrom
und
somit
auch
die
Anodenspannung. Da beide Trioden
Abbildung 55 - Differenzverstärker
über einen gemeinsamen Widerstand Rk
mit Strom versorgt werden, ändert sich die Anodenspannung in der zweiten
Triode. Diese führt zu einer Anodenstromänderung, die wiederum im
Arbeitswiderstand einen Spannungsabfall erzeugt und somit eine neue
gegenphasige Steuerspannung erzeugt. Das Gitter liegt dabei auf Massepotential.
Wie man in der Abbildung 54 sieht, sind diese zwei gegenphasigen Spannungen
bei weitem nicht gleich groß, weswegen weitere Bauteile benötigt werden, um
die Amplituden dieser Wechselspannungen gleich groß zu machen. Abbildung 55
zeigt das grundlegende Schaltbild des Differenzverstärkers eines Vox AC-30 ohne
die Werte der einzelnen Bauteile.95 Mit dieser Schaltung kann man fast zwei ideal
phasenverschobene Steuersignale herstellen, ohne große Auswirkungen der
individuellen Röhrenparameter fürchten zu müssen.
94
95
vgl. Basislektüre S.25
vgl. Manfred Zollner: Physik der Elektrogitarre, Regensburg 2009 (Vorveröffentlichung) 10.4.3
25.01.2010
49 | S e i t e
14 Betriebseinstellungen von Röhrenendstufen:
Niederfrequenz
-
Endstufen
teilt
man
grundsätzlich
drei
verschiedene
Betriebseinstellungen zu. Jede von ihnen unterscheidet sich in der Wahl des
Arbeitspunktes und der Gittervorspannung.
14.1 ClassA Single Ended Endstufen:
Diese Einstellung zeichnet sich dadurch aus, dass der Arbeitspunkt so gewählt wird,
dass er in der Mitte der Ug – Ia – Kennlinie liegt.96 So wird erreicht, dass „während der
gesamten Wechselspannungsperiode Anodenstrom fließt.“97 Reine ClassA Endstufen
werden immer dort eingesetzt, wo nur eine Endstufenröhre verbaut ist. Diese werden
als Eintakt-A-Betrieb und als „Single Ended“
(kurz SE) Endstufen bezeichnet.
SE
Schaltungen
bestehen
immer
aus
einer
Kathoden-Basis-Schaltung, die meistens mit einer
Leistungspentode bestückt ist.98 Solche Schaltungen
haben immer einen sehr schlechten Wirkungsgrad
(Verhältnis
der
zugeführten
Leistung
zur
abgegebenen Leistung), der im Normalfall 40%
Abbildung 56 - AP ClassA SE
nicht übersteigt. Die maximale Nutzleistung liegt bei
. Wenn man dann noch die Übertragungsverluste des Ausgangüberträgers und des
Lautsprechers
mit
einberechnet,
kommt man auf Werte weit unter
35%.99 Darüber hinaus hat eine SE
Endstufe bei Übersteuerung einen sehr
hohen nichtlinearen Klirrfaktor, der für
das
menschliche
unangenehm
Ohr
als
empfunden
eher
wird.
Wie man dem Schaltplan entnehmen
Abbildung 57 - ClassA SE
96
97
98
99
vgl. Basislektüre S.31
Endstufen S.2
vgl. Manfred Zollner: Physik der Elektrogitarre, Regensburg 2009 (Vorveröffentlichung) 10.5.1
vgl. Manfred Zollner: Physik der Elektrogitarre, Regensburg 2009 (Vorveröffentlichung) 10.5.3
25.01.2010
50 | S e i t e
kann, benötigt man einige Bauteile, um eine solche Schaltung aufzubauen. Im
Anodenkreis liegt der Ausgangsüberträger (siehe Kapitel Ausgangsüberträger). Dieser
dient dazu, „die hochohmige Röhrenschaltung an den niederohmigen Lautsprecher
anzupassen.“100 Man muss aber beachten, dass das Ziel einer Endstufe nicht eine
möglichst große Spannungsänderung, sondern eine möglichst große Stromänderung ist,
die dann in der Sekundärwicklung des Ausgangüberträgers einen Wechselstrom
induzieren kann.
In diesen Ua – Ia – Kennlinien einer EL84, einer Endstufenpentode mit geringer Leistung
(in ClassA SE Schaltung ungefähr 6W)101, sieht man die Arbeitsgerade und den
Arbeitspunkt, wie sie für ClassA typisch sind. Der Arbeitspunkt liegt in der Mitte der
möglichen Gitterspannungen, also bei -7.5V. Die Arbeitsgerade ist bereits optimal
angepasst, um die Röhre effektiv zu nutzen. Dies erreicht man dadurch, dass die
Arbeitsgerade im Arbeitspunkt auf der Leistungshyperbel liegt und durch eine geeignete
Wahl des Lastwiderstandes.
Abbildung 58 - AP ClassA SE
Trotz aller Nachteile solcher Schaltungen kamen SE Endstufen bei den frühen
leistungsschwachen Gitarrenverstärkern zum Einsatz. VOX verbaute eine EL84 im AC-4,
100
101
Manfred Zollner: Physik der Elektrogitarre, Regensburg 2009 (Vorveröffentlichung) 10.6
siehe JJ EL84 Datenblatt
25.01.2010
51 | S e i t e
der eine Ausgangsleistung von 4W hat. Auch die alten leistungsschwachen Fender
Verstärker setzen auf eine ClassA Schaltung, aber nicht mit einer EL84 sondern mit
einer 12 Watt-6V6-GT Beampower-Tetrode. 102
Nun soll auch dem Netzteil etwas Beachtung geschenkt werden, denn dieses ist viel
wichtiger als man auf den ersten Blick meinen mag. Bei jeder ClassA Endstufe ist, wie
auch
bei
der
Kathoden-Basis-Schaltung,
die
Belastung
des
Netzteils
aussteuerungsunabhängig. Das muss jetzt noch etwas präzisiert werden:
Die vom Netzteil zu liefernde Leistung beträgt bei einer SE Pentoden-Endstufe:
(PNT = Leistung des Netzteils, Pv = Anodenverlustleistung, Pk =
Leistung am Kathodenwiderstand, Pg2 = Schirmgitterleistung).
Bei einer EL84 in SE Schaltung mit Ua = 250V, Ia = 48mA, Rk = 142 und Ug2=250V,
beträgt der Schirmgitterstrom 5mA. Somit kommt man auf eine vom Netzteil gelieferte
Leistung von:
(
)
Wenn jetzt eine Spannungsschwankung des Steuergitters den Anodenstrom schwanken
lässt, nimmt dieser Werte von z.B. 10mA bis 80mA an. Nimmt man an, dass die
Kennlinien linear verlaufen, bleibt der Strommittelwert konstant und somit auch die
Leistung.103
Aber nicht nur die Belastung des Netzteils ist konstant, sondern auch die dauerhaft hohe
Belastung der Röhre ist nicht zu vernachlässigen. Wie man am Arbeitspunkt erkennen
kann, liegt dieser genau am maximal erlaubten Wert. Diese Dauerbelastung kann
natürlich zu einer verkürzten Lebensdauer der Röhre führen, was früher wegen der
besseren Qualität der Röhren kein Problem war. Heute ist die Qualität der Röhren
teilweise gesunken und somit können diese früher ausfallen.
14.2 ClassA Gegentakt Endstufen:
Gegentakt ClassA Endstufen stellen eine Erweiterung der ClassA SE Endstufen da. Solche
Gegentakt Endstufen arbeiten mit mindestens zwei Röhren, die mit zwei gegenphasigen
Steuergitterspannungen versorgt werden (deswegen Gegentakt). Durch diese Schaltung
erreicht man genau die doppelte Ausgangsleistung wie eine SE Endstufe mit derselben
102
103
vgl. Manfred Zollner: Physik der Elektrogitarre, Regensburg 2009 (Vorveröffentlichung) 10.5.3
vgl. Manfred Zollner: Physik der Elektrogitarre, Regensburg 2009 (Vorveröffentlichung) 10.5.3
25.01.2010
52 | S e i t e
Röhre. Wie auch bei SE Endstufen liegt der Arbeitspunkt in der Mitte der Kennlinie, so
dass während der ganzen Periode des Signals Strom fließt.
Abbildung 59 - ClassA PP Ströme und Phasenlagen
Abbildung 59 sieht sehr kompliziert aus, aber das Funktionsprinzip ist trotzdem schnell
erklärt. Wenn eine Röhre in den weniger negativen Bereich ausgesteuert wird, steigt der
Strom und somit sinkt die Spannung. Das bedeutet:
. Das bedeutet,
dass die andere Röhre genau gegenphasig ausgesteuert wird, also
.
Wenn wir Ub einmal als 300V annehmen und die Aussteuerung auf beiden Seiten
konstant 100V beträgt, so kommen wir zu einer Spannungsdifferenz von genau 200V,
also genau dem doppelten Wert der Aussteuerung. Somit erreichen solche Endstufen
genau die doppelte Ausgangsleistung als eine SE Endstufen mit derselben Röhre.104
Wie auch bei ClassA SE ist die Belastung des Netzteils konstant hoch, denn die
Arbeitspunkte liegen auf der Leistungshyperbel und im Mittel ändert sich der Strom
nicht. Trotzdem kann man mit ClassA PP (PP = Push Pull = Gegentakt) Schaltungen
einige Probleme lösen. Durch den Gleichstrom, der durch den Ausgangsüberträger
fließt, wird der Kern durch ein magnetisches Gleichfeld vormagnetisiert. Da die beiden
Anodenströme aber zueinander gegenphasig sind, kompensieren sich diese Gleichfelder.
Deswegen ist kein Luftspalt erforderlich, was den Ausgangsüberträger billiger macht.
104
vgl. NF-Verstärker S.42
25.01.2010
53 | S e i t e
Auch Brummspannungen können sich somit gegeneinander auslöschen, was sehr zur
Brummfreiheit eines Verstärkers beitragen kann.105
14.3 ClassB Gegentakt Endstufen:
ClassB Endstufen werden in Gitarrenverstärkern nicht so oft eingesetzt. Falls eine solche
Schaltung überhaupt verwendet wird, dann eher in Hi-Fi Geräten, wie Kinoverstärkern,
die ständig eine hohe Leistung abgeben müssen.106 Der Vorteil einer ClassB Schaltung
liegt im Vergleich zu ClassA in dem viel höheren Wirkungsgrad, denn dieser theoretische
Wirkungsgrad liegt bei 78,5%, und der geringen Verzerrung, bei genauer Einstellung der
Endstufe.107 „Der relativ gute Wirkungsgrad der Gegentakt-B-Schaltung ergibt sich
daraus, dass jede Röhre nur dann einen großen Anodenstrom leitet, wenn tatsächlich
Leistung an den Verbraucher abgegeben wird.“108 Trotzdem kann es sein, dass trotz
genauer Einstellung die Endstufe ungewünschte Verzerrungen produziert werden. Dies
liegt daran, dass der Grad der Verzerrung und auch die Ausgangsleistung sehr stark von
den individuellen Eigenschaften der Röhre abhängig sind, denn jede Röhre weist
gewisse Toleranzen bei der Fertigung auf.109
Bei
ClassB
Endstufen
wird
die
Gittervorspannung so gewählt, dass der
Arbeitspunkt
(fast)
genau
mit
dem
Schnittpunkt der Kennlinie mit der UgAchse
zusammenfällt.110
immer
nur
Halbwelle
während
der
Somit
einer
fließt
positiven
Steuerspannung
ein
Anodenstrom, wenn man den geringen
Abbildung 60 - Arbeitspunkt ClassB
Ruhestrom vernachlässigt. Somit entstehen
ganz erhebliche Verzerrungen, weil eine komplette Hälfte der Steuerspannung verloren
geht. Deswegen werden zwei Endstufenröhren mit gegenphasigen (siehe Schaltplan)
Steuersignalen gespeist. So leitet immer eine Röhre, während die andere sperrt. „Dies
105
106
107
108
109
110
vgl. Manfred Zollner: Physik der Elektrogitarre, Regensburg 2009 (Vorveröffentlichung) 10.5.2
vgl. Basislektüre S.31
vgl. GegentaktB Endstufen S.2
Manfred Zollner: Physik der Elektrogitarre, Regensburg 2009 (Vorveröffentlichung) 10.5.3
vgl. GegentaktB Endstufen S.2
vgl. Basislektüre S.31
25.01.2010
54 | S e i t e
hat zur Folge, dass wechselweise immer nur eine Hälfte des Ausgangsüberträgers
stromdurchflossen ist.“111
Um die nötige, stark negative Gittervorspannung zu
erzeugen, muss eine eigene Spannungsquelle
eingesetzt werden, denn durch den geringen
Ruhestrom ist ein so hoher Spannungsabfall von 15V bis -60V durch einen Kathodenwiderstand
nicht möglich.112
Wo aber genau der Arbeitspunkt einer ClassB
Abbildung 61 - ClassB PP Schaltung
Schaltung liegt, wird nicht näher definiert. Ganz theoretisch, wie am Anfang des Kapitels
erklärt, wird der AP ans untere Ende der Arbeitsgerade gelegt, wo der Ruhestrom fast
null ist.
Wenn man sich nun mehrere Datenblätter von oft genutzten Pentoden oder Tetroden
ansieht, wird man feststellen, dass die Hersteller die ClassB PP (Push Pull = Gegentakt)
Einstellung mit einem Anodenstrom (plate current) von 35mA bis sogar 60mA (siehe
Datenblatt Svetlana EL34 Jahr 2001)113 spezifizieren. Das ist schon deutlich mehr als
„fast null“, denn manche Endpentoden würden bei solchen Anodenströmen schon längst
den Hitzetod sterben.
Trotz der Vorteile einer ClassB Schaltung müssen einige Dinge genau beachtet werden,
weil es sonst zu Problemen kommen kann. Einerseits müssen die verbauten Teile,
besonders der Ausgangsüberträger, perfekt auf die jeweilige Schaltung angepasst sein,
denn es kann zu extremen Spannungsspitzen im Ausgangsüberträger kommen, die ihn
durch einen Funkenüberschlag zerstören können. Dadurch, dass immer nur eine Röhre
leitet, wird im Transformator eine hohe Spannung in die Anodenzuleitung der anderen
Röhre induziert. Ohne Aussteuerung liegt die Anodenspannung knapp unter der
Betriebsspannung (z.B. 400V). Bei großer Aussteuerung, also bei hohem Anodenstrom,
nimmt sie extrem ab (z.B. auf 50V). Während der nächsten Halbwelle, in der sie keinen
Strom leitet, kommt es wieder zu einem Spannungsanstieg. Zusätzlich wird aber die
Spannung noch durch die Induktion erhöht, die besonders in High-End Verstärkern zu
GegentaktB Endstufen S.45
vgl. Manfred Zollner: Physik der Elektrogitarre, Regensburg 2009 (Vorveröffentlichung) 10.5.3
113 http://www.drtube.com/datasheets/el34-sed2001.pdf
111
112
25.01.2010
55 | S e i t e
Spannungen im Bereich von 1000V führen kann. Andererseits sind die sogenannten
Übernahmeverzerrungen zu beachten.114 Das heißt, dass in einem gewissen Bereich
eines Steuersignals entweder beide Röhren leiten oder, dass beide sperren. Im Idealfall
leitet eben immer eine Röhre während einer Halbwelle. Durch fertigungsbedingte
Toleranzen oder durch ungenaue Ruhstromeinstellung kann es dazu kommen, dass
solche für das Ohr unangenehme Verzerrungen auftreten. Abbildung 62 zeigt zwei
„verstärkte Signale“ einer ClassB PP Endstufe. Die durchgehende Linie weist starke
Übernahmeverzerrungen
auf.
Charakteristisch
sind
die
zwischen
den
Sattelpunkte
Halbwellen. Die Verzerrungen der
strichlierten Linie sind hingegen
nur
gering.
Verzerrungen
eine
Um
solchen
vorzubeugen,
sorgefältige
und
ist
exakte
Einstellung des Ruhestroms (Bias)
notwendig.
Abbildung 62 - ClassB Übernahmeverzerrungen
14.4 ClassAB Gegentakt Endstufen:
In Gitarrenverstärkern werden meist ClassAB Endstufen eingesetzt, falls mehr als eine
Endstufenröhre zur Verfügung steht. Der Arbeitspunkt solcher Endstufen liegt
zwischen dem Arbeitspunkt von ClassA und ClassB. Das bedeutet in der Praxis, dass
die Endstufen während eines kleinen Signals im ClassA Betrieb arbeiten und bei
größeren Aussteuerungen langsam in den ClassB Betrieb wechseln.115 Bei ClassAB kann
man die negative Gittervorspannung entweder mit einem Kathodenwiderstand oder
auch mit einer festen Spannungsquelle erzeugen. Falls ein Kathodenwiderstand
eingesetzt wird, führt das zu einer Verschiebung des Arbeitspunktes, da der mittlere
vgl. Manfred Zollner: Physik der Elektrogitarre, Regensburg 2009 (Vorveröffentlichung) 10.5.14
vgl.
http://www.moehrenbude.de/Moehre/modules.php?name=Content&pa=showpage&pid=53&page=2
(Erstzugriff 18.1.)
114
115
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56 | S e i t e
Spannungsabfall am Kathodenwiderstand größer wird und damit der Arbeitspunkt in
höhere negative Vorspannungen verschoben wird.116
Interessant bei dieser Art der Endstufen ist, dass es weder in der Literatur noch in der
Praxis Einigkeit darüber gibt, was „ClassAB“ genau bedeutet. Oft wird der Arbeitspunkt
(AP) so beschrieben, dass er irgendwo zwischen dem ClassA AP und dem ClassB AP liegt.
Zu dieser Gruppe gehören die meisten Gitarrenverstärker, darunter auch der Vox AC-30,
der oft fälschlicherweise als reiner ClassA PP Verstärker angepriesen wird.117
14.5 Ultralinear Endstufen:
Um den Vorstellungen der Hi-Fi Fans zu genügen, wurden natürlich auch geeignete
Röhrenschaltungen entwickelt, die so linear und damit so neutral wie möglich
verstärken. Dabei war klar, dass weder ein Triodensystem noch ein Pentoden- (oder
auch Tetroden-) System ideale Ergebnisse liefert. Daraus ging die ultralinear-Schaltung
hervor, die hauptsächlich in Hi-Fi Verstärkern eingesetzt wird, aber auch in
Gitarrenverstärkern. Es kamen aber nur zwei Modelle auf den Markt, die mit einer
solchen Schaltung ausgestattet sind, das bekanntere von ihnen ist der 200W-Marshall
mit 4x KT88 Endstufenröhren.118
Abbildung 63 - Ultralinear-Endstufen
116
117
118
vgl. ClassAB Endstufen S.1
vgl. Manfred Zollner: Physik der Elektrogitarre, Regensburg 2009 (Vorveröffentlichung) 10.5.4
vgl. http://www.schematicheaven.com/
25.01.2010
57 | S e i t e
Im Schaltplan sieht man das Grundprinzip. An der Mittelanzapfung wird die
Versorgungsspannung
angelegt,
-Ug1
wird
in
diesem
Fall
mit
einer
extra
Spannungsquelle erzeugt und die Schirmgitter sind über den Schirmgitterwiderstand
mit den Anzapfungen der Primärseite des Ausgangsüberträgers verbunden. „Die
Signalrückführung auf die Schirmgitter (g2) bewirkt eine Gegenkopplung, was beim Hi-FiVerstärker als Vorteil angesehen wurde.“119 Eine Gegenkopplung ist eine Schaltung, bei
der man das Ausgangssignal gegenphasig zum Eingang zurückführt, damit es diesem
entgegenwirkt. Eine Gegenkopplung wird sehr häufig, besonders in Röhrenverstärkern,
eingesetzt, da diese zu einer Verringerung des Klirrfaktors und zu einer Veränderung
des Frequenzgangs führt. Der Regler wird oft mit „Prescence“ bezeichnet und ist eine
frequenzabhängige Gegenkopplung der Sekundärseite des Ausgangsüberträgers mit
dem Phasendreher. Mit einer solchen zusätzlichen frequenzabhängigen Gegenkopplung
kann darüber hinaus der Klirrfaktor, selbst bei großer Aussteuerung, auf sehr niedrige
Werte drückt werden.
In diesem Fall wirkt die Gegenkopplung so, dass die Anodenspannung zur
Steuergitterspannung gegenphasig ist. Dadurch schwankt das Schirmgitter gegenphasig
zum Steuergitter und bewirkt das veränderte Verhalten. Durch das Verringern der
Schirmgitterspannung sinkt außerdem die maximal erreichbare Ausgangsleistung.
Deswegen werden meist leistungsstarke Endstufenröhren für solche Zwecke eingesetzt
(siehe 200W-Marshall).
In der folgenden Grafik sieht man rechts die Pentoden Konfiguration einer KT88, und
links eine Ultralinear-Schaltung mit derselben Röhre.120
119
120
Manfred Zollner: Physik der Elektrogitarre, Regensburg 2009 (Vorveröffentlichung) 10.5.13
vgl. Datenblatt JJ KT88 (ist am Anhang beigelegt)
25.01.2010
58 | S e i t e
Abbildung 64 - KT88 Ultralinear Kennlinien
16 Der Ausgangsüberträger:
Der Ausgangsüberträger (kurz AÜ oder OT) stellt ein weiteres Merkmal dar, das
Röhrenverstärker von anderen Verstärkertypen unterscheidet. Der Ausgangsüberträger
kommt nur bei Röhrenverstärkern mit Endstufen vor, denn dieser dient dazu, den
höheren Widerstand der Röhrenendstufe an den Lautsprecherwiderstand
anzupassen. Man erzielt nämlich nur die maximale Leistungsabgabe, wenn der innere
Widerstand der Endstufe dem Arbeitswiderstand (in diesem Fall dem Lautsprecher)
entspricht.121 Die gängigen Widerstandswerte für Lautsprecher betragen 4, 8 und
16. Somit sind Lautsprecher viel niederohmiger als die Endstufe, weswegen eine
Impedanzanpassung notwendig ist.
Dieser Transformator macht Röhrenverstärker im Vergleich zu Transistorverstärkern
so teuer, weil für den Klang und das Verhalten ein qualitativ hochwertiger
Ausgangsüberträger
notwendig
ist.
Gängige
Anforderungen
für
einen
guten
Ausgangsüberträger sind:

Exakte Impedanztransformation (oft ist auch eine Transformation in alle
gängigen Lautsprecherimpedanzen erwünscht)
121
vgl. Grundsätzlicher Röhrenverstärker S.7
25.01.2010
59 | S e i t e

Große Bandbreite (es sollte ein möglichst großes Frequenzband abgedeckt
werden)

Wenig unerwünschte Nebeneffekte durch Magnetfelder, ohmsche Widerstände
der Wicklungen oder durch den Eisenkern
Grundsätzlich besteht auch der Ausgangsüberträger, wie jeder Transformator, aus einer
Primär- und einer Sekundärspule mit einem Eisenkern. Die Wicklungen bestehen aus
Kupferdraht.
Bei einer ClassA Single Ended Schaltung wird
der
Überträger
im
Anodenkreis
(Überträger-Auskopplung)122,
über
platziert
den
die
Röhre an die Spannungsquelle angeschlossen
ist. Bei einer ClassA SE Schaltung werden
besondere
Anforderungen
an
den
Ausgangsüberträger gestellt, denn durch die
ständige hohe Belastung durch den Ruhestrom
Abbildung 65 - ClassA SE
entsteht eine Gleichstrom-Vormagnetisierung,
die den Transformator unter ungünstigen Bedingungen arbeiten lässt. Dieses Problem
kann man mit einem Luftspalt entgegenwirken, der aber dazu führt, dass die
Permeabilität des Kernes stark sinkt.123 Deswegen muss man für den Kern sehr
hochwertiges Eisen verwenden, was den Ausgangsüberträger für ClassA SE Endstufen
empfindlich teuer macht.
Bei einem Gegentaktverstärker sieht der Aufbau
wieder ganz anders aus, denn dieser benötigt
zwei Primärwicklungen, da, wie schon erklärt,
für
eine
Gegentaktschaltung
zwei
Endstufenröhren benötigt werden. Diese sind
über die sogenannte Mittelanzapfung mit der
Versorgungsspannung
angebunden.
Der
Ausgangsüberträger hat nun die Aufgabe die
beiden
122
123
gegenphasigen
Anodenströme
zu
Abbildung 66 - Gegentakt Endstufen
vgl. Manfred Zollner: Physik der Elektrogitarre, Regensburg 2009 (Vorveröffentlichung) 10.5.1
vgl. Manfred Zollner: Physik der Elektrogitarre, Regensburg 2009 (Vorveröffentlichung) 10.5.3
25.01.2010
60 | S e i t e
kombinieren und auf die Sekundärimpedanz zu transformieren.124 Daraus ergibt sich,
dass der Lautsprecher selbst der Arbeitswiderstand der Endstufe ist. Deswegen darf
ein Röhrenverstärker nur mit angeschlossenem Lautsprecher mit der richtigen
Impedanz in Betrieb genommen werden!
Für Gegentakt-Endstufen wurde für den Hi-Fi Bereich auch eine spezielle, die Ultralinear
Schaltung entwickelt, die ebenfalls einen speziellen Ausgangsüberträger (kurz AÜ)
benötigt. Dieser Transformator hat nämlich in den Primärwicklungen zusätzliche
Abgriffe für die Schirmgitterspannung. Damit hat die Primärseite insgesamt fünf
Anschlüsse. Genaueres wird im apitel „Ultralinear-Endstufen“ beschrieben.
17 Gleichrichterschaltungen für Gitarrenverstärker:
Da Elektronen in einer Röhre immer nur in eine Richtung fließen können, muss eine
Röhre mit einer möglichst konstanten Gleichspannung (kurz DC) versorgt werden.
Deswegen muss die Netzspannung, bei der es sich um eine Wechselspannung (kurz AC)
mit einer Frequenz von 50Hz handelt, „gleichgerichtet“ werden. Als gleichrichten
versteht man den Prozess, Wechselspannung in eine Gleichspannung umzuwandeln. Um
das zu ermöglichen, wurden im Laufe der Jahre einige, recht unterschiedliche,
Schaltungen entwickelt, von denen auch einige für Gitarrenverstärker relevant sind.
Grundsätzlich kann man mit zwei Bauteilgruppen arbeiten, nämlich mit Halbleitern oder
mit Röhren, aber der Vorgang sowie das Prinzip sind bei beiden Gruppen dieselben.
Man unterteilt den Vorgang des „Gleichrichtens“ in zwei Phasen:
1. Umwandlung der Wechselspannung in eine pulsierende Gleichspannung
2. Glättung der Gleichspannung mittels Ladekondensator mit möglichst großer
Kapazität
Diese
Kondensatoren
Elektrolytkondensatoren
sollten
sein,
weil nur dieser Kondensatortyp
eine so hohe Kapazität bei
geringer Größe und geringem
Preis
bieten
Abbildung 67 - Glättung
kann.
Die Kondensatoren laden sich während einer positiven Halbwelle auf und
124
vgl. Grundsätzlicher Röhrenverstärker S.8
25.01.2010
61 | S e i t e
überbrücken während eines „Spannungstals“ die Spannungslücke. Umso größer
die Kapazität des Kondensators ist, desto besser ist die Glättung.
Da die Glättung mit einem Kondensator (auch Sieb-ELKOS genannt) nicht perfekt ist,
muss man weitere Maßnahmen ergreifen, um die Spannung schwankungsfrei zu
machen.
1. RC-Siebglied
Durch den Widerstand R1 und durch
den zweiten Kondensator C1 werden die
Spannungsschwankungen hinter dem
Ladekondensator
Cl
noch
besser
Abbildung 68 - RC Siebglied
ausgeglichen.
2. LC-Siebglied
Bei größeren Stromstärken entsteht
am Widerstand R1 ein zu hoher
Spannungsabfall.
Bei
großen
Stromstärken verwendet man besser
ein LC-Siebglied. Bei der Glättung der
Abbildung 69 - LC Siebglied
pulsierenden Gleichspannung durch
eine sogenannte Siebdrossel hat man den Vorteil, dass der Gleichstrom einen nur
sehr geringen Widerstandswert, die Wechselspannungskomponente dagegen
einen hohen Widerstandswert hat. Dieser hat den Wert
wobei L die
Induktivität der Spule und ω die Winkelgeschwindigkeit ist. Die Siebdrossel
besteht eigentlich nur aus einem langen Draht, der um ein Stück Metall gewickelt
ist. Sie wird aber wegen der Spulengröße, des Gewichtes und auch wegen des
hohen Preises seltener eingesetzt.
Zur Umwandlung der Wechselspannung in eine pulsierende Gleichspannung sind zwei
Schaltungen besonders beliebt:
1. Einsatz einer Gleichrichterröhre (besonders verbreitet sind die EZ81 und die
GZ34)
2. Einsatz einer Brückengleichrichtung mit Halbleiterdioden
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62 | S e i t e
Abbildung 70 zeigt die grundlegende Schaltung einer
Gleichrichterröhre. Wegen der zwei Anoden bezeichnet man
solche Röhren auch als Zweiweg-Gleichrichter. Es kommt
immer ein Stromfluss zu Stande, wenn die Anode positiv
gegenüber der Kathode ist. Der Transformator mit
Mittelanzapfung liefert sekundärseitig zwei gleich große, um
Abbildung 70 - ZweiwegeGleichrichterröhre
180° phasenverschobene Spannungen.125
Es
gibt
auch
Gleichspannung
die
Möglichkeit
mit
einer
eine
einzelnen
Röhrendiode zu erzeugen. Diese nennt man
dann
Einweg-Gleichrichtung.
Bei
dieser
Abbildung 72 - Einwege-Gleichrichter
Schaltung kommt aber nur bei jeder
zweiten Halbperiode ein Stromfluss
Abbildung 71 - Stromfluss bei Einwege-Gleichrichtung
zu Stande.
Die Gleichrichtung mittels Dioden ist wegen der
niedrigen
Kosten
und
wegen
des
geringen
Aufwands sehr beliebt. Dazu wird oft eine BrückenGleichrichterschaltung verwendet. Sie besteht aus
vier
Dioden,
die
nach
dem
Schema
rechts
angeordnet sind. Der Wechselspannungseingang
Abbildung 73 - Brückengleichrichtung
befindet sich zwischen den Diodenpaaren. Durch die
Anordnung der Halbleiterdioden in der Schaltung fließt der Wechselstrom in zwei
verschiedenen Wegen durch die Schaltung. Der Verbraucher wird immer in einer
Richtung vom Strom durchflossen. Das Ergebnis ist eine pulsierende Gleichspannung.
Schlussendlich sollte der Spannungsverlauf bei optimalen Bedingungen so aussehen:
125
http://www.tfh-wildau.de/goldmann/08_Halbleiter.pdf Kapitel: 8.3.3
25.01.2010
63 | S e i t e
Abbildung 74 - Gleichrichtungsverlauf
Die Bedeutung des Netzteils darf bei einem Gitarrenverstärker nicht unterschätzt
werden, da es großen Einfluss auf den Klang haben kann. Dies bedeutet einerseits, dass
das Netzteil für Brummen oder Rauschen verantwortlich ist, andererseits, dass das
Netzteil dem Verstärker die letzte Note geben kann. Gitarristen bevorzugen „weiche
Netzteile“. Mit anderen Worten ausgedrückt: Sie bevorzugen Netzteile mit einem hohen
Inneren Widerstand. Das bedeutet, dass die Versorgungsspannung des Netzteils
abhängig vom Strombedarf ist. Dadurch kann die Spannung kurzzeitig, bei großer
Aussteuerung der Endstufen sehr stark einbrechen um dann bei geringer Aussteuerung
wieder in die Höhe zu steigen. Dies kann zu einem aggressiven „Röhrensound“ führen,
den man mit Halbleitern nicht einfach nachbilden kann.
18 Zusammenfassung:
Niederfrequenz-Röhren mögen für manche ein veraltetes Bauteil sein, was auch stimmt,
aber trotzdem haben sie Stärken, die sie in manchen Situationen erfolgreich ausspielen
können. Wiegt man die Vor- und Nachteile gegeneinander ab, findet man sicherlich mehr
negative Punkte als positive. Zum einen sind Röhren aufwendig herzustellen, die
Schaltungen sind aufwendiger aufzubauen und darüber hinaus ist der Wirkungsgrad
miserabel.
Also
weswegen
sollte
man
Röhren
einsetzen?
Wegen
ihres
Übersteuerungsverhaltens! Deswegen werden sie vorwiegend in Verstärkern für
Musikinstrumente eingesetzt, weil genau hier diese Eigenschaft gefragt ist. In Hi-Fi
Verstärkern haben sie, meiner Meinung nach, keine Chance gegen moderne TransistorVerstärker, die wesentlich verzerrungsärmer verstärken und darüber hinaus viel
günstiger sind. Deswegen sollten NF-Röhren sollen nur dort eingesetzt werden, wo
absichtlich eine Übersteuerung gefragt ist. Also ist der Einsatz in einem
Gitarrenverstärker das ideale Anwendungsgebiet, weil es nur sehr wenige Bereiche in
solchen Verstärkern gibt, in denen das Signal nicht verfälscht werden darf.
25.01.2010
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Die erste Verstärkungsstufe (V1) verstärkt meistens ohne Übersteuerung. Aber
trotzdem kann es durch geschickte Wahl des Koppelkondensators bereits zu einer
Verfälschung durch einen absichtlich begrenzten Frequenzgang kommen. Durch einen
Potentiometer
kann
man
dann
die
Übersteuerung
der
zweiten
Stufe
(Zwischenverstärker) regeln. Dazwischen liegt oft ein Tone Stack, also eine Regeleinheit,
die einem Gitarristen ermöglicht, gewisse Frequenzbänder zu bevorzugen oder zu
dämpfen. Falls es noch eine dritte Vorstufe gibt, wird diese normalerweise auch
übersteuert, was zu einem beidseitigen Clipping des Signals führt. Wenn wir von einem
leistungsstarken
Verstärker
ausgehen,
erreicht
das
Gitarrensignal
nun
den
Phasendreher. Dieser wird seltener übersteuert, aber er kann trotzdem zum Klang eines
Verstärkers beitragen. Darüber hinaus ist eine hohe Verstärkung nicht so wichtig wie
perfekt phasengedrehte Signale, obwohl auch absichtlich unsymmetrische Signale als
Stilmittel eingesetzt werden können, um dem Klang noch weiter zu formen. Nun werden
die Endstufen mit den gegenphasigen Signalen versorgt, die nun die Leistung drastisch
anheben, um sie durch den Lautsprecher als Schall hörbar zu machen. Die
Endstufenröhren werden seltener übersteuert. Das liegt einfach daran, dass
Endstufenröhren erst bei größeren Spannungen übersteuern, welche die Vorstufen,
besonders bei Pentoden, oft nicht liefern können. Leistungsstarke und teure
kommerzielle Röhrenverstärker liefern oft 100 Watt, was bei weitem für mittelgroße
und kleine Clubs und Bühnen ausreicht. Leistungsschwächere Amps liefern zwischen 30
und 75W, was auch noch viel zu leistungsstark für den Privatgebraucht ist.
Wichtig anzumerken ist, dass ein „guter lang“ eine sehr subjektive Einschätzung und so
individuell, wie ein Fingerabdruck, ist. Jeder Gitarrist bevorzugt bestimmte Merkmale
oder Charakteristiken, die andere möglicherweise kaum aushalten können. Deshalb ist
die Vielfalt an Verstärkern und Schaltungen so groß.
25.01.2010
65 | S e i t e
19 Anhang:
Im Anhang befinden sich Bauberichte, Schaltpläne und eine Daten CD. Diese sollen das
Thema „Röhren in Gitarrenverstärkern“ noch einmal vertiefen und die praktische
Umsetzung zeigen. Auf der Daten CD sind Bilder des Verstärkers und des pre-amps,
Schaltpläne als PDF-File und Aufnahmen des AC-30 gespeichert.
19.1 Mein Vox AC-30 Nachbau:
Wenn ich schon eine Fachbereichsarbeit über Gitarren-Röhrenverstärker schreibe, dann
muss ich auch die praktische Umsetzung zeigen. Die Wahl fiel auf den Vox AC-30, einen
der berühmtesten Bühnenverstärker überhaupt.
Als Basis und Vorbild nahm ich den AC-30 Nachbau von Martin Winterfeld.
19.1.1 Zur Schaltung:
Der Vox AC-30 ist ein 30 Watt Vollröhrenverstärker, der mit der Zeit immer weiter
entwickelt wurde. Er ist eine Weiterentwicklung des AC-15, der mit seinen geringen 15
Watt für größere Säle hoffnungslos unterdimensioniert ist. Deswegen wurde beim AC30 die Leistung verdoppelt, und somit war er ausreichend leistungsfähig. Der original
AC-30 hat drei Kanäle: Clean, Top-Boost und Vibrato. Mein Nachbau hat auch drei
Kanäle, nämlich einen Clean-Kanal (mit erweiterter Klangregelung), einen modifizierten
Top-Boost-Kanal und einen Line-In, der es ermöglicht mit einem ausreichend starken
Eingangssignal direkt die Endstufen zu betreiben. Den Vibrato Kanal ließ ich weg, weil
dieser aufwendig zu bauen ist und auch kaum von Gitarristen verwendet wird.

Der Clean Kanal:
Wie der Name schon sagt, ist dieser Kanal dazu da, das Gitarrensignal möglichst
unverfälscht zu verstärken. Deswegen ist er mit nur einer Triode bestückt. Im
original Schaltplan ist außer einem „Volume“-Poti (Lautstärkenregler) keine
zusätzliche Klangregelung vorgesehen. Daher wurde von Martin Winterfeld die
„Tone-Blende“ von dem berühmten 18-Watt Marshall eingebaut. Diese
verlustarme Tonregelung ermöglicht eine Betonung der Bässe bzw. der Höhen.
25.01.2010
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
Der Top-Boost Kanal:
Dieser Kanal machte den AC-30 berühmt. Er ist alles andere als ein Clean-Kanal,
weil er so konzipiert ist, dass das Eingangssignal absichtlich deutlich verzerrt
wird. Er besteht aus zwei hintereinander folgenden Kathoden-Basis-Schaltungen
mit einer Anoden-Basis-Schaltung als Ausgangsstufe mit folgender Vox
Klangregelung. Zwischen den ersten zwei Stufen ist im ursprünglichen Schaltplan
das „Volume“ – Poti angebracht, mit dem man den Grad der Verzerrung, also den
Grad der Übersteuerung der folgenden Stufen, regeln kann. Somit kann man zwar
die Verzerrung des Kanals genau dosieren, nicht aber die Ausgangslautstärke,
was nach meinem Geschmack zu einer gestörten Balance zwischen Clean und
Top-Boost Kanal führt. Deswegen wurde dieser Kanal von mir in folgenden
Punkten modifiziert:
o Das „Volume“ – Poti ersetzte ich durch einen festen Spannungsteiler.
Dadurch hat man aber keinen direkten Einfluss mehr auf die Verzerrung,
diese kann aber mit dem Gitarren Volume – Poti nachgebessert werden,
was besonders von den professionellen Gitarristen bevorzugt wird, weil
man bei Auftritten so viel eleganter spielen kann. Um die originale
Grenzfrequenz nicht zu verändern musste ich den Koppelkondensator
tauschen. Dieses Potentiometer baute ich stattdessen nach dem ToneStack als „richtiges“ Volume-Poti ein, mit dem man nun die Lautstärke des
Kanals angenehm regeln kann.
Darüber
hinaus
Kondensator
ist
C6
der
(siehe
Schaltplan) nun schaltbar, was zu
einer Anhebung der Höhen führt,
weil nun Frequenzen, die höher
als die Grenzfrequenz sind, nun
nicht
mehr
über
den
Spannungsteiler sondern direkt
über den Kondensator fließen
können.
Beim Tone-Stack wurde R19
geändert, was zu einer Anhebung
25.01.2010
Abbildung 75 - Frequenzgang neu
67 | S e i t e
der Mitten führt. Abbildung 75 verdeutlicht den Unterschied durch diese
Anpassung des Frequenzganges (rot – original Werte, grün – modifizierte
Werte). Diese Anpassung wurde wegen meines Musikgeschmacks nötig,
weil es dem Klang des Kanals an vielen Stellen von vielen Songs eindeutig
an Biss fehlte.

Line-In:
Dies ist nicht wirklich ein eigenständiger Kanal, sondern ist vielmehr ein direkter
Eingang zu den Endstufen bzw. dem Phasendreher, um mit meinem selbst
gebauten Röhren pre-amp direkt die Endstufen speisen zu können. Diese kleine
Modifikation hat sich als äußerst wirksam und elegant erwiesen.
Alle drei Kanäle münden in den Phasendreher, in dem eine ECC83 in einer
Differenzverstärker-Schaltung arbeitet. Auch hier ist der AC-30 etwas Besonderes, da
dieser ohne Gegenkopplung auskommt. Viele Verstärker von Marshall, Fender und Co.
verwenden Gegenkopplungen („Prescence“) zwischen PI und der Sekundärseite des
Ausgangüberträgers. Trotzdem ist der Klirrfaktor der Endstufe auffallend gering.126 Bei
größer werdender Aussteuerung steigt die Verzerrung allmählich an aber nicht
sprunghaft wie bei Verstärkern mit einer starken Gegenkopplung.
Die vier Endstufenröhren sind in einer ClassAB Konfiguration mit einem gemeinsamen
Kathoden-Widerstand geschaltet. Es hält sich immer noch das Gerücht, dass der Vox AC30 ein ClassA PP Verstärker sei, was aber nicht stimmt. Sogar der „Vater“ des AC-30 gab
zu Protokoll: „The VOX AC-30 ... uses a Class A configuration.“, obwohl im ursprünglichen
Schaltplan für die Kathodenspannung der Endstufe zwei Werte (unbelastet,
Vollaussteuerung) angegeben sind, was eine ClassA PP Konfiguration ausschließt.127
Somit erweist sich dieser Hype um den AC-30 definitiv als toller Werbegag!
Auch das Netzteil verdient eine Erwähnung, da die Betriebsspannung für die vier
Endstufenröhren direkt an der Kathode der Gleichrichterröhre entnommen wird. Somit
ist die Spannung alles andere als ein konstanter Gleichstrom, sondern ist vielmehr ein
126
127
vgl. Manfred Zollner: Physik der Elektrogitarre, Regensburg 2009 (Vorveröffentlichung) 10-5-52
vgl. Manfred Zollner: Physik der Elektrogitarre, Regensburg 2009 (Vorveröffentlichung) 10-5-51
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68 | S e i t e
mit 100Hz pulsierender Gleichstrom, der bei geringer Aussteuerung keine Probleme
bereitet, aber bei großer Aussteuerung zu Amplitudenmodulationen führen kann.128
19.1.2 Baugeschichte:
Der Bau dieses Verstärkers war ein Langzeitprojekt mit dem ich am Ende des
Schuljahres 08/09 begonnen hatte und dieses Projekt erst am Januar 2010 beendet
hatte. Dem Bau gingen einige Wochen intensiver Planung voraus, denn es mussten noch
einige Fragen geklärt werden. „Wo bekomme ich alle Bauteile her? Wo kann ich mir
mein selbst entworfenes Chassis fertigen lassen?“
Nachdem alle Fragen beantwortet waren, konnte ich mit dem Bau beginnen. Einige
Bilder sind auf der beigefügten CD gespeichert. Das Bild „Chassis1“ zeigt das Chassis, auf
dem bereits alle nötigen Bauteile montiert sind. „Grundaufbau1“ zeigt den Aufbau der
verschiedenen Lötleisten, Röhrensockel und Transformatoren. Nach nur drei
Arbeitstagen hatte ich den ersten Aufbau vollständig fertig gestellt. Wie man sehen kann,
herrscht im Gehäuse noch Chaos. Kabel waren nicht verdrillt, Kabelwege waren viel zu
lang, die Sternmasse war unzureichend und viele Bauteile waren nicht durch
Schrumpfschläuche gesichert. Deswegen war es kaum verwunderlich, dass ein
Kurzschluss irgendwo in der Schaltung dem Ganzen ein jähes Ende bereitete.
All diese Fehler beseitigte ich im zweiten Aufbau, siehe „Aufbau2“. Die Zuleitungen zur
Gleichrichterröhre (einziger Okal Sockel) wurden verdrillt, um Einstreuung in
benachbarte Kabel zu verhindern, die Anodenzuleitung für die Endstufen wurde durch
ein geeignetes abgeschirmtes Kabel ersetzt, die Sternmasse wurde durch eine kleine
Lötleiste
effektiv
ersetzt
und
einige
Bauteile
wurden
ordnungsgemäß
mit
Schrumpfschläuchen gesichert. Von da an funktionierte der Verstärker teilweise.
Monate vergingen, bis ich wieder Zeit fand, die Endstufe zu überarbeiten. Dazu
verwendete ich eine einreihige Lötleiste, die ich über den Sockeln montierte, um die
Widerstände elegant und sicher zu befestigen (siehe „Aufbau3“). Dieses System hat sich
definitiv bewährt! Ich ergänzte darüber hinaus auch Symmetrierungswiderstände für
die Röhrenheizung, die endlich das starke Rauschen und Brummen beseitigten.
Trotzdem waren die Kabelwege zu den Vorstufen noch viel zu lange und auch die Lage
128
vgl. Manfred Zollner: Physik der Elektrogitarre, Regensburg 2009 (Vorveröffentlichung) 10-5-53
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69 | S e i t e
des Tone-Stacks hatte ich sehr ungeschickt gewählt, da viele signalführende Kabel
parallel zueinander verliefen und somit die Gefahr der Einstreuung sehr groß war.
Während einer längeren Pause baute ich den pre-amp zusammen, der auch auf Anhieb
funktionierte, an dem aber ständig von mir „fein-geschraubt“ wurde. Pläne und Bilder
sind ebenfalls auf der CD vorhanden.
Eines Tages bekam ich einen Tipp, wie ich die Kabellängen deutlich kürzen könnte. Ich
sollte das Haupt-Board um 5cm in Richtung des Oktal Sockels verschieben. Dadurch
wurden die Kabelwege zu den Sockeln der Vorstufenröhren um mehr als 50% kürzer.
Ich vertauschte darüber hinaus die Position der Potentiometer für den Tone-Stack und
konnte dadurch unglaublich viel Kabelweg sparen. Man kann den Unterschied ganz
deutlich zwischen den Bildern „Aufbau4 4“ und „Aufbau3 2“ erkennen. Ich installierte
auch die Modifikationen, die man auf dem Bild mit Zoom erkennen kann. Darüber
hinaus änderte ich auch noch den Kathodenwiderstand der Endstufen, um diese zu
schonen und nicht über den maximal erlaubten Wert zu betreiben. Dies ist nun der
fertige Verstärker, mein AC-30 alias „Fat Toni“.
19.2 Versuchsprotokoll: Gittervorspannungserzeugung durch den
Anlaufstrom bei Trioden:
Für die Erzeugung der (im Normalfall) nötigen negativen Gittervorspannung (Bias) gibt
es mehrere Möglichkeiten, die je nach Schaltungsart, Verwendungszweck und
klanglichen Vorstellungen eingesetzt werden können. Folgende Schaltungen werden
häufig eingesetzt:

feste Spannungsquelle

Kathodenwiderstand

Anlaufstrom
Besonders die Gittervorspannungserzeugung durch den Anlaufstrom, wird in der Praxis
sehr selten eingesetzt, da man mit einem Kathodenwiderstand in Vorstufenschaltungen
viel einfacher, kontrollierter und zuverlässiger die Gittervorspannung einstellen kann.
Deswegen wollte ich diese Methode einmal testen. Versuchsobjekt war der zwei stufige
Trioden-Kanal meines selbstgebauten pre-amps (extra Vorverstärker), der beim ersten
Triodensystem einen sehr großen Gitterableitwiderstand bekommen hat. Wie diese
25.01.2010
70 | S e i t e
Schaltung funktioniert, kann im Kapitel "Kathoden-Basis-Schaltung" nachgelesen
werden.
Abbildung 76 - Schaltung und Messung
19.2.1 Anmerkungen zu den verwendeten Widerständen:
Als Gitterableitwiderstand verwendete ich zweimal einen 10MΩ Metallfilmwiderstand
und zweimal ebenfalls einen Metallfilmwiderstand mit einer Impedanz von 5MΩ. Es ist
hierbei darauf zu achten, dass keine Kohlepress-Widerstände eingesetzt werden, da
diese sehr stark rauschen können, besonders bei so hohen Impedanzwerten! Mit meinen
Widerständen habe ich verschiedene Werte für Rg (20MΩ, 15MΩ, 10MΩ und 5MΩ)
ausprobiert und jeweils folgende Eigenschaften gemessen oder auf diese geachtet:

Spannungsabfall gemessen (also die Höhe der Gittervorspannung)

Klangliche Aspekte (Verzerrung, Klangbild, Gesamteindruck, Rauschen)
Bei der Messung der Spannung musste ich aber einen ganz wichtigen Faktor beachten.
Mein Digitalmultimeter hat nämlich einen inneren Widerstand Ri, der in diesem Fall
parallel zur gemessenen Spannung liegt. Damit hat man dann eine Parallelschaltung von
zwei sehr großen Widerständen und diese muss man bei der Messung berücksichtigen!
Ansonsten ist der gemessene Spannungswert nicht korrekt.
25.01.2010
71 | S e i t e
19.2.2 Vorgehen:

Da ich mir nicht bewusst war, dass ich bei der Messung falsche Werte erhalte,
führte ich einfach einmal die Messungen durch und wunderte mich dabei ständig,
dass die Spannung nicht proportional zum Widerstand wächst. Deswegen fragte
ich jemanden, der mich schlussendlich auf den Fehler aufmerksam machte und
mir die Idee für die korrekte Berechnung gab.

Die Grundideen für die Berechnungen sind:
o
Wenn ich den Spannungsabfall messe, dann liegen Rg und Ri parallel.
Deswegen kann ich eine Funktion aufstellen, die den Gesamtwiderstand
durch Rg und Ri beschreibt.
o
Wenn ich den Spannungsabfall messe und den Gesamtwiderstand kenne,
kann ich mir mit dem Ohm’schen Gesetz den fließenden Strom
ausrechnen.
o
Diesen Strom setze ich nun in die richtige Größe von Rg ein und erhalte
somit die tatsächlich wirkende Gittervorspannung.
Die Berechnungen wurden in Mathematica durchgeführt. Das Dokument ist der FBA
beigefügt.
Dabei
wurden
mögliche
andere
Effekte
(Zeitkonstante
am
Koppelkondensator, etc.) nicht berücksichtigt. Alle Werte habe ich noch einmal
übersichtlich in einem Excel-Sheet eingetragen. Dieses ist ebenfalls im Anhang zu finden.
Da die maximal erreichbare Gittervorspannung zwischen 0,1V und 3,2V lag, kommt
eigentlich nur ein Einsatzgebiet in einem Gitarrenverstärker in Frage, nämlich als V1
einer Vorstufe mit einer Eingangsspannung unter dem Gittervorspannungswert! Für alle
anderen Anwendungsgebiete ist die Gittervorspannung einfach viel zu gering. Mit diesen
Werten kann man sicherlich eine grobe Planung durchführen, aber trotzdem sollte man
das Optimum oder den benötigten Wert durch ein „Try and Error“-Verfahren ermitteln.
Deswegen kann man nur auf Faustregeln zurückgreifen, die funktionieren können, aber
nicht müssen. Man kann außerdem versuchen den Sound durch verschiedene
Koppelkondensatoren noch zu verbessern, um so ein Optimum zu erreichen.
19.2.3 Fazit:
Eine Kathoden-Basis-Schaltung mit der Gittervorspannungserzeugung durch den
Anlaufstrom ist nur als erste Vorstufe sinnvoll, die nicht verzerren, sondern nur das
Signal verstärken soll. Dabei ist zu beachten, dass die Vorspannung 3,2V nicht
25.01.2010
72 | S e i t e
überschreitet. Dieser Wert müsste aber für alle Gitarren und Effektgeräte ausreichen.
Der Widerstand sollte so dimensioniert sein, dass das Eingangssignal nicht verzerrt
wird, denn eine absichtliche Verzerrung hat sich bei mir sehr seltsam angehört und
hatte weniger etwas von einer Verzerrung sondern eher etwas von einem starken
Höhenfilter. Das soll aber nicht heißen, dass man durch eine geschickte Schaltung nicht
einen tollen Sound erzielen kann!
An dieser Stelle nochmal vielen Dank an Sven Riester, der mir erstens die Idee für das
Experiment gegeben hat und mich auch auf dem Weg zum Ergebnis sehr gut begleitet
hat!
19.3 Baubericht Röhren pre-amp:
In den Weihnachtsferien hatte ich endlich Zeit ein sehr experimentelles Projekt mit
ungewissem Ausgang zu realisieren. Ich hatte vor einen 2-Kanal Röhren pre-amp zu
bauen. Hier die Grunddaten:

Kanal1: EF86 (Vorstufenpentode) mit:
o Trioden/Pentoden Schalter
o schaltbarer by-pass
o Volume Poti
Die Schaltung soll das Gitarrensignal für Solos noch einmal zusätzlich verstärken,
um die nachfolgenden Stufen etwas mehr zu übersteuern und so während eines
Solos besser hörbar zu sein.
Der Kanal ist inspiriert vom Datenblatt einer EF86, vom AC-15htv und von einer
EF86 Konzeptschaltung für Phono - Verstärkung.

Kanal2: 1x ECC81:
o als V1 mit Gittervorspannungserzeugung durch den Anlaufstrom
o zweite Stufe mit einem regelbaren Kathodenwiderstand
o Volume und Gain-Poti
Dieser Kanal ist für die Nutzung als experimentelle overdrive Schaltung gedacht.
Die ganze Schaltung wird in einem Stahlgehäuse untergebracht. Als Netzteil wird ein
Ringkerntrafo mit einer Sekundärspannung von 200V verwendet, dazu eine
Brückengleichrichterschaltung mit Siebelkos, wie beim tt-sam.
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73 | S e i t e
Schon beim ersten Aufbau lief der Amp, aber nicht so, wie erwartet. Ich baute nämlich
ungewollt einen tollen Oszillator, der Spaß machte, aber dem Klangbild keine positiven
Noten hinzufügte. Der Klang vom Oszillator (Höhe, Schwebung, Lautstärke) konnte mit
jedem Poti sehr schön geändert werden. Das spannende daran war, dass erst fünf
Sekunden nach dem Einschalten der Ton hörbar war und dass sogar acht Sekunden nach
dem Ausschalten die Schwingung noch immer hörbar war und dann erst in den
folgenden zwei Sekunden langsam verschwand. Das Paradoxe dabei war, dass ich bis
jetzt nur den EF86 Kanal ausprobiert hatte und sich somit nichts ändern durfte, wenn
ich am Volume Poti vom ECC83 Kanal drehte!
Deswegen gab es für mich nur zwei Möglichkeiten:
1. Gleich am Anfang des hochohmigen Signalwegs fange ich mir eine ungewollte
Oszillation durch Einstreuung in den Signalweg ein.
2. Die Masseführung
19.3.1 Baugeschichte:
Um den Vorverstärker überhaupt aufbauen zu können, verwendete ich großteils nicht
mehr benutzte Teile meines ersten Verstärkers, den ich schon vor längerer Zeit wieder
zerlegt hatte. Von der Idee einen neuen Vorverstärker zu bauen bis zur praktischen
Umsetzung vergingen wieder Monate, denn ich konnte nicht jeden Tag einige Stunden in
dieses Projekt investieren. Somit suchte ich einige Schaltungen, untersuchte sie etwas
genauer und mit der Zeit wurde daraus ein erster Konzeptschaltplan. Wie immer ist
aber für mich das größte Problem die praktische Umsetzung. Einen Schaltplan zu
zeichnen ist einfach, geschickte Masseführung und Kabelverlegung hingegen sind
wieder etwas anderes!
Als der Verstärker über längere Zeit problemlos seinen Dienst verrichtet hatte, war der
Punkt gekommen, an dem ich experimentieren konnte. Ich probierte viele Dinge aus,
aber ich verwarf wieder fast alles. Letztendlich kam ich aber zum Entschluss, dass der
ursprüngliche Plan vollkommen ausreichend war, und nur wenige Details ergänzt
werden sollten. Die Dioden-Clipping Schaltung war die einzige Erweiterung, die auch im
finalen Aufbau noch eingebaut war.
Kurze Zusammenfassung des Themas Dioden-Clipping:
„Dioden-Clipping zur Erzeugung von verzerrten Sounds ist etwas in Verruf geraten,
was primär damit zusammenhängt, dass es von großen Verstärkerherstellern
eingesetzt wurde - aber eben nicht richtig, wodurch zuerst der Sound und dann die
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74 | S e i t e
Schaltungsart selbst in Verruf gekommen sind - dabei kann man mit DiodenClipping weitaus mehr erreichen. Grundsätzlich kann man jede Diode verwenden,
um das Signal zu clippen. Hierbei wird einfach nur die obere und/oder untere Spitze
der Sinusschwingung - bedingt durch den Spannungsfall an der Diode abgeschnitten, wodurch das Signal verzerrt wird. Da Dioden bei Erreichen der
Durchbruchspannung sehr schnell schalten, kann dies zu einem sehr sterilen und
harten Effekt führen. Um diesem Verhalten entgegen zu wirken, wird vor den
Dioden ein kleiner Kondensator geschaltet, der das Signal etwas abrundet und
weicher klingen lässt. Das ist auch schon der ganze Trick!
Ein weiterer Vorteil des Diodenclippings in diesem Fall ist, dass man beliebige
Kombinationen von Dioden versuchen und verwenden kann, um den persönlich
gewünschten Klang zu erreichen. Neben den normalen LEDs, können auch andere
Dioden wie 1N4001 oder 1N4007 etc. verwendet werden. Diese können
asymmetrisch oder auch symmetrisch verschaltet werden, in Reihe oder rein
parallel und so weiter, und das alles ohne teure Bauteileschachteln.“129
Die Dioden-Clipping Schaltung ist mit einem Fußschalter zuschaltbar und kann
deswegen vielseitig eingesetzt werden. Die ungewollte Oszillation ist nach einer
Überarbeitung der Masseführung verschwunden.
129
http://www.tube-town.net/diy/tt-sam/tt-sam.html (Erstzugriff 24.1.)
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75 | S e i t e
20 Literaturverzeichnis:












Otto Diciol: Röhren-NF Verstärker Praktikum, Reprint-Ausgabe, Franzis, 2008
Basislektüre (Erstzugriff am 6. Juli 2009):
http://www.radau5.ch/pdf_files/elektron.pdf
Mehrgitterröhren (Erstzugriff am 6. Juli 2009):
http://www.radau5.ch/pdf_files/roeren_2.pdf
Grundsätzlicher Röhrenverstärker (Erstzugriff am 6. Juli 2009):
http://www.radau5.ch/pdf_files/book15_2.pdf
Niederfrequenzverstärkung (Erstzugriff am 6. Juli 2009):
http://www.radau5.ch/pdf_files/anwend_1.pdf
Röhrenverstärker Überblick (Erstzugriff am 6. Juli 2009):
http://www.radau5.ch/pdf_files/roeren_4.pdf
Endstufen (Erstzugriff am 6.Juli 2009):
http://www.radau5.ch/pdf_files/anwend_2.pdf
GegentaktB Endstufen (Erstzugriff am 6. Juli 2009):
http://www.radau5.ch/pdf_files/anwend_3.pdf
Manfred Zollner: Physik der Elektrogitarre, Regensburg 2009
(Vorveröffentlichung) (Erstzugriff am 9. August 2009)
http://homepages.fh-regensburg.de/~elektrogitarre/
http://www.guidomoser.de/pdf/Studium/Elektrotechnik/ET_06_Roehrendiode.pdf (Erstzugriff am
5. Juli 2009)
ClassAB Endstufen (Erstzugriff am 6. Juli 2009):
http://www.radau5.ch/pdf_files/class_ab.pdf
NF-Verstärker (Erstzugriff am 6. Juli 2009):
http://www.radau5.ch/pdf_files/roeren_5.pdf
21 Bilderverzeichnis:
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Abbildung 1: http://www.thocp.net/hardware/pictures/edsac.jpg
Abbildung 2: http://www.elektronikkompendium.de/sites/grd/schalt/01102033.gif
Abbildung 3: http://www.elektronikkompendium.de/sites/grd/schalt/01102032.gif
Abbildung 4: http://www.schulebw.de/unterricht/faecher/physik/online_material/e_lehre_1/induktion/finger3.
gif
Abbildung 5: http://www.elektronikkompendium.de/sites/grd/bilder/02051411.gif
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Abbildung 6, Abbildung 7, Abbildung 8: eingescannt aus Basislektüre S.10
Abbildung 9:
http://www.radiomuseum.org/images/tubesockel_klein/no15_2.png
Abbildung 10: selbst gezeichnet mit sPlan v6.0
Abbildung 11: Basislektüre S.8
Abbildung 12: selbst gezeichnet mit sPlan v6.0
Abbildung 13: http://www.radiomuseum.org/tubes/tube_eaa91.html
Abbildung 14: selbst erstellt mit GeoGebra
Abbildung 15: selbst gezeichnet mit sPlan v6.0
Abbildung 16: http://www.tubetown.net/ttstore/product_info.php/info/p52_EH-12AX7---ECC83-Gold.html
Abbildung 17, Abbildung 18: selbst gezeichnet mit sPlan v6.0
Abbildung 19: Basislektüre S.41
Abbildung 20, Abbildung 21: http://www.hifitubes.nl/weblog/wpcontent/philips-el84.pdf
Abbildung 22: Manfred Zollner: Physik der Elektrogitarre, Regensburg 2009
(Vorveröffentlichung) 10-5-6
Abbildung 23: http://www.tubetown.net/ttstore/popup_image.php/pID/153/imgID/0
Abbildung 24: Genalex KT88 datasheet
Abbildung 25: Manfred Zollner: Physik der Elektrogitarre, Regensburg 2009
(Vorveröffentlichung) 10.1.9
Abbildung 26: E83CC Lorenz 1962 datasheet
Abbildung 27: JJ ECC83S datasheet (Bearbeitung mit GeoGebra)
Abbildung 28: selbst erstellt mit GeoGebra
Abbildung 29: selbst gezeichnet mit sPlan v6.0
Abbildung 30: JJ ECC83S datasheet (Bearbeitung mit GeoGebra)
Abbildung 31, Abbildung 32: selbst gezeichnet mit sPlan v6.0
Abbildung 33: Basislektüre S.27
Abbildung 34: aus dem eigenen AC-30 Schaltplan
Abbildung 35, Abbildung 36, Abbildung 37: erstellt mit dem Tone Stack
Calculator: http://www.duncanamps.com/tsc/
Abbildung 38: selbst erstellt mit MS Word
Abbildung 39: http://www.elektronikinfo.de/techpic/strom/katodebasis.gif
Abbildung 40: selbst erstellt mit GeoGebra
Abbildung 41:
http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=Datei:Clipping_1KHz_10V_DIV_clip_A
_5ohms-1-.jpg&filetimestamp=20051210050907 (Erstzugriff am 3.1.)
Abbildung 42: Common Gain Stage S.8
Abbildung 43, Abbildung 44: selbst erstellt mit GeoGebra
Abbildung 45: JJ ECC83S datasheet (Bearbeitung mit GeoGebra)
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Abbildung 46: Basislektüre S.33
Abbildung 47: Röhrenverstärker Überblick S.7
Abbildung 48: JJ ECC83S datasheet (Bearbeitung mit GeoGebra)
Abbildung 49: Common Gain Stage S.11
Abbildung 50: http://www.elektronikinfo.de/techpic/strom/katodenfolger.gif
Abbildung 51:
http://www.schematicheaven.com/marshallamps/jmp_mastervol_50w_2204u.p
df
Abbildung 51: selbst erstellt mit GeoGebra
Abbildung 53: Manfred Zollner: Physik der Elektrogitarre, Regensburg 2009
(Vorveröffentlichung) 10.4.1
Abbildung 54: Manfred Zollner: Physik der Elektrogitarre, Regensburg 2009
(Vorveröffentlichung) 10.4.8
Abbildung 55: Manfred Zollner: Physik der Elektrogitarre, Regensburg 2009
(Vorveröffentlichung) 10.4.8
Abbildung 56: Basislektüre S.32
Abbildung 57: Manfred Zollner: Physik der Elektrogitarre, Regensburg 2009
(Vorveröffentlichung) 10.5.2
Abbildung 58: Manfred Zollner: Physik der Elektrogitarre, Regensburg 2009
(Vorveröffentlichung) 10.5.2
Abbildung 59: selbst erstellt mit sPlan v6.0 nach NF-Verstärker S.42
Abbildung 60: Basislektüre S.32
Abbildung 61: Manfred Zollner: Physik der Elektrogitarre, Regensburg 2009
(Vorveröffentlichung) 10.5.10
Abbildung 62: Manfred Zollner: Physik der Elektrogitarre, Regensburg 2009
(Vorveröffentlichung) 10-5-14
Abbildung 63:
http://www.moehrenbude.de/Moehre/modules.php?name=Content&pa=showp
age&pid=53&page=3
Abbildung 64: JJ KT88 datasheet
Abbildung 65: Manfred Zollner: Physik der Elektrogitarre, Regensburg 2009
(Vorveröffentlichung) 10.5.1
Abbildung 66: Manfred Zollner: Physik der Elektrogitarre, Regensburg 2009
(Vorveröffentlichung) 10.5.3
Abbildung 67: selbst erstellt mit GeoGebra
Abbildung 68, Abbildung 69, Abbildung 70: selbst gezeichnet mit sPlan v6.0
Abbildung 71: selbst erstellt mit GeoGebra
Abbildung 72: selbst gezeichnet mit sPlan v6.0
Abbildung 73: http://www.elektronikkompendium.de/sites/slt/schalt/02042811.gif
Abbildung 74: selbst erstellt mit GeoGebra
Abbildung 75: selbst erstellt mit dem Tone Stack Calculator
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Abbildung 76: selbst gezeichnet mit sPlan v6.0
22 Variablensammlung:
Variable
U f, UH
If, IH
Pf, PH
H
Name
Heizspannung
Heizstrom
Heizleistung
Heizmaß
Beispiel, Weiteres, Anmerkungen
kann DC oder auch AC sein
UB
Ua
Ia
Pv
Is
Ug
Ig
Ug0
Auch Versorgungsspannung genannt
V
V
A
W
A
V
A
V
USp
Ie
S
Batteriespannung
Anodenspannung
Anodenstrom
Anodenverlustleistung
Sättigungsstrom
Gitterspannung
Gitterstrom
negative
Gittervorspannung
Sperrspannung
Emissionsstrom
Steilheit
zwischen Anode und Kathode
V
A
SA
Arbeitssteilheit
SA < S
D
µ
CA-K
CG-K
CG-A
Ri
Ra
ν
Uk
IK
Ck
Ug2
Ig2
Pg2
Rg
Ckop
Rgrid
k
Durchgriff
Verstärkungsfaktor
Röhrenkapazität
Röhrenkapazität
Röhrenkapazität
Innerer Widerstand
Arbeitswiderstand
Spannungsverstärkung
Kathodenspannung
Kathodenstrom
Kathoden-Kondensator
Schirmgitterspannung
Schirmgitterstrom
Schirmgitterleistung
Gitterableitwiderstand
Koppelkondensator
Grid-Stopper
Klirrfaktor
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dient als Vergleichswert
zwischen Anode und Kathode
zwischen Gitter und Kathode
zwischen Gitter und Anode
auch Anodenwiderstand genannt
Einheit
V
A
W
dimensionslos
dimensionslos
dimensionslos
F
F
F
Ω
Ω
dimensionslos
V
A
F
V
A
W
Ω
F
Ω
dimensionslos