Kantonsschule Ausserschwyz Vergleich eines selbstgebauten Röhrenverstärkers mit einem gekauften Transistorverstärker Maturaarbeit Oktober 2011 Autor: Luca Largo Sonnenfeld 11 8854 Siebnen Betreuende Lehrperson: Sandro Friedrich Inhaltsverzeichnis Kapitel Seite 1. Vorwort 3 2. Abstract 4 3. Einleitung 5 4. Materialien und Methoden 7 4.1 Grundsätzliches zu Verstärkern 7 4.2 Gitarrenverstärker 8 4.3 Der Röhrenverstärker 9 4.4 Der Transistorverstärker 11 4.5 Der Versuchsaufbau 12 5. Ergebnisse 5.1 Frequenzgang 14 14 5.1.1 Röhrenverstärker 14 5.1.2 Transistorverstärker 15 5.2 Klirrfaktor 16 5.2.1 Röhrenverstärker 16 5.2.2 Transistorverstärker 16 5.3 Oberwellen 17 6. Diskussion 19 Schluss 19 7. Glossar 20 8. Quellenverzeichnis 21 9. Anhang 22 10. Eigenständigkeitserklärung 25 2 1.Vorwort Diese Arbeit befasst sich mit verschiedenen Gitarrenverstärkern, deren Vergleich und Beurteilung mittels wissenschaftlicher Messungen durchgeführt wird. Es handelt sich nicht um gängige Verstärker von Hi-Fi Tonsystemen, sondern um Gitarrenverstärker. Die Idee hinter der Arbeit ist, der Vergleich eines Röhrenverstärkers, dessen Technik eigentlich schon längst zu den Relikten der Elektronik zählt und einem zeitgemässen Transistorverstärker, der jedoch noch nicht digital, sondern ebenfalls analog aufgebaut ist. Schon immer faszinierte mich der subjektiv wärmere und klarere Klang eines Röhrenverstärkers. Früh lernte ich wie ein Solcher gebaut wird. Da ich als begeisterter Gitarrist immer auf der Suche nach dem perfekten Klang bin, kam ich auf die Idee, diese beiden Leidenschaften für meine Maturaarbeit zu kombinieren und den Vergleich eines selbst gebauten Röhrenverstärkers mit einem erworbenen Transistorverstärker zum Thema zu wählen. Mein Dank gilt : Herr Friedrich, der mich als meine Betreuungsperson sehr geduldig unterstützt hat, Markus Breier, der mir die Informationen, die für die Fertigstellung des Röhrenverstärkers nötig waren bereitwillig geliefert hat und mich mit Detailinformationen versorgt hat und meinen Eltern und Freunden die mich moralisch unterstützt haben. 3 2. Abstract Meine Maturaarbeit behandelt unterschiedliche Audioverstärker. Es handelt sich dabei um Gitarrenverstärker. Ziel ist es, mit wissenschaftlichen Messungen zwei unterschiedliche Verstärker zu vergleichen. Die wesentlichen Unterschiede zwischen den beiden zu vergleichenden Verstärkern bestehen in ihrem Aufbau und ihrem Konzept. In Verbindung mit dieser Arbeit habe ich einen Röhrenverstärker nach dem Vorbild des legendären VOX AC 30 selbst hergestellt. Der andere Verstärker ist ein Matrix 100 Transistorverstärker der Marke Hughes&Kettner. Elektronenröhren sind Bauteile zur Verstärkung eines Signals und beruhen auf einer eigentlich veralteten Technik. Diese hat sich trotzdem bis heute hartnäckig gehalten und findet in Gitarrenverstärkern immer noch Verwendung. Transistoren sind der Ersatz für die eben genannten Elektronenröhren. Sie sind handlicher, stromsparender, weniger gefährlich und zuverlässiger als Elektronenröhren. Obwohl ihr Grundprinzip dem der Röhren ähnlich ist, gibt es doch gewisse Unterschiede zwischen den beiden Konzepten. Röhren wird im Allgemeinen ein wärmerer und klarerer Klang zugesprochen als Transistoren. Ich bin diesem Mythos auf den Grund gegangen und habe beide Verstärkerkonzepte miteinander verglichen und die beiden Verstärker vermessen. Obwohl ein klarer Unterschied in den Messungen sichtbar ist, ist dieser nicht als Wertung zu verstehen, welcher Verstärker besser ist. Meine Ergebnisse decken sich jedoch auffällig stark mit den Meinungen vieler Gitarristen und Elektronikern, nach denen ganz klar ein Unterschied im Klang zwischen den beiden Konzepten besteht. 4 3.Einleitung Das Ziel dieser Arbeit ist es, darzustellen inwiefern sich zwei verschiedene Verstärker, die auch noch auf unterschiedlicher Technologie beruhen, sich auf den Klang auswirken. Die Herausforderung besteht darin, dass der eine Verstärker in Eigenregie, nur mit einem Schaltplan von mir selbst hergestellt worden ist. Alle Verstärker von denen im Kommenden gesprochen wird sind sogenannte Niederfrequenzverstärker. D. h. sie verwerten zum Beispiel das von einer Gitarre kommende Signal, das nur wenige Millivolt beträgt und verstärken es so sehr, dass ein Lautsprecher damit betrieben werden kann. Ein Verstärker ist also ein Gerät, welches eine kleine Spannung und einen kleinen Strom so umwandelt, dass am Ausgang eine grössere Spannung und ein grösserer Strom anliegt. Prinzipiell unterscheiden sich die beiden Versuchsobjekte in ihrer Schaltung. Der eine ist in Röhrentechnik aufgebaut während der zweite auf der neueren Transistortechnik basiert. Die Grundprinzipien beider Technologien sind ähnlich. Bei der Röhrentechnik kommen Elektronenröhren zum Einsatz um das Signal, das beim Gitarrenverstärker natürlich von der Gitarre kommt zu verstärken. Obwohl diese Elektronenröhren heutzutage auf Grund ihrer Grösse, ihres Gewichtes und der Gefährlichkeit (Elektronenröhren arbeiten mit einer Spannung von über 250V Gleichstrom) eigentlich kaum Verwendung mehr finden, erfahren sie in Gitarrenverstärkern geradezu eine Renaissance. Als Grund für ihre Wahl geben beinahe alle Gitarristen den warmen, klaren und direkten Klang an. Abbildung 1 EL84 Elektronenröhren Abbildung 2: verschiedene Transistoren Quelle: Wi Transistorverstärker verwenden zur Verstärkung des Eingangssignals, wie der Name schon sagt Transistoren. Dies sind Bauelemente, die auf einem Halbleitermaterial basieren. In Hi-Fi- und Gitarrenverstärkern kommen vorwiegend FET (Feldeffekttransistoren) zum Einsatz. 5 Viele Jahre waren Röhren die einzige Möglichkeit ein Signal zu verstärken. Seit es Transistoren gibt herrscht ein erbitterter Streit unter Musikern, welche Technologie nun besser klinge. Die Puristen schwören auf sogenannte Vollröhrenverstärker, also Verstärker in denen ausschliesslich Elektronenröhren zum Einsatz kommen, während Viele diese eigentlich veraltete Technologie als Voodoo bezeichnen. Mein Ziel besteht darin, eine Erklärung auf empirischer Ebene zu finden, ob Röhrenverstärker tatsächlich ein besseres Hörerlebnis bieten und wenn ja, woran das liegt. Dazu habe ich beide Verstärker mittels eines Audioprogramms vermessen und die Ergebnisse mit vorangegangenen Studien verglichen und kombiniert. 6 4.Materialien und Methoden: 4.1 Allgemeines zu Verstärkern: Abbildung 3 zeigt den prinzipiellen Aufbau eines kleinen Verstärkers mit einem Transistor. Dieser wird mit 12V Gleichspannung betrieben. Am Eingang (links) kann eine Signalquelle, beispielsweise ein CD-Player angeschlossen werden. Dieses Signal wird dann vom Verstärker so verstärkt, dass am Ausgang (rechts) ein Lautsprecher angeschlossen werden kann. Abbildung 3: einfacher Verstärker Ue=Spannung am Eingang, Ua=Spannung am Aussgang Um die nachfolgenden Ausführungen verstehen zu können, muss zuerst erklärt werden, welche Bauelemente in einem Verstärker arbeiten. Es sind: Wiederstände (beschränken die Spannung) Dioden (lassen Spannung nur in einer Richtung durch) Kondensatoren (kurzzeitige Energiespeicher) Transformatoren (transformieren Spannung in eine höhere oder niedrigere Spannung) Aktive Bauteile ( Röhren , Transistoren ) Die wichtigsten Bauteile eines jeden Verstärkers sind die aktiven Bauteile, also Röhren oder in der heutigen Zeit Transistoren. Das Prinzip, nach welchem diese arbeiten ist einfach. Sie ermöglichen es mit einer kleinen Spannung, welche durch das Signal bereitgestellt wird eine grosse Spannung zu steuern, die gross genug ist um einen Lautsprecher anzusteuern. Verstärker werden in verschiedene Klassen unterteilt. Klasse A: das aktive Bauteil leitet immer. Der Klang eines solchen Verstärkers ist in der Regel sehr gut. Der Nachteil liegt in der ständigen Belastung des Bauteils, was zu höherem Verschleiss führen kann. Klasse B: das aktive Bauteil leitet nur, wenn ein Signal anliegt. Der Nachteil dieser Schaltungsweise liegt in der Entstehung von Verzerrungen und deshalb in einem schlechteren Klang. Klasse AB: Dies ist eine Kombination der beiden vorangegangenen Klassen. Es fliesst immer gerade so viel Strom, dass das aktive Bauteil leitet und der Verstärker verzerrungsfrei arbeitet. Dieser ist aber nicht so gross, dass der Verschleiss übermässig gefördert wird. Gegentaktverstärker arbeiten oft mit dieser Schaltungsweise. 7 4.2 Gitarrenverstärker Abbildung 4 zeigt das Blockschaltbild eines Gitarrenverstärkers in Röhrenbauweise. Als Signalquelle dient eine Gitarre, von der ein ganz kleiner Strom an den Verstärker gesendet wird. Das Signal durchläuft zuerst eine Vorstufe mit Lautstärkenregelung (Volume). Danach folgt eine Klangregelung (Equalizer), Abbildung 4: Blockschaltbild eines Gitarrenverstärkers eine Regelung der Gesamtlautstärke (Master Volume) und zu guter Letzt die Endstufe mit Lautsprecher. Auffällig ist, dass ein Gitarrenverstärker im Gegensatz zu einem normalen Audioverstärker mit nur einem Kanal auskommt. Dies liegt daran, dass das Signal, welches von der Gitarre kommt in Mono vorliegt. Für die Konstruktion des Verstärkers ist dies eine grosse Hilfe, da es die Menge der Bauteile halbiert und das Übersprechen, bei dem sich die beiden Kanäle gegenseitig beeinflussen von Vornherein eliminiert wird. Eine weitere Besonderheit eines Gitarrenverstärkers ist der Umstand, dass nichtlineare Verzerrungen erlaubt, ja gar erwünscht sind. Bei Hi-Fi Verstärkern werden diese Verzerrungen mit allen Mitteln verhindert, doch gerade Röhrenverstärker erzeugen bestimmte Oberwellen, welche zum charakteristischen Klang führen, der von vielen Gitarristen als warm und klar bezeichnet wird. Es gibt 4 Möglichkeiten einen Gitarrenverstärker aufzubauen. Die Unterscheidung richtet sich jeweils nach den aktiven Bauelementen. Es wird unterschieden zwischen: Röhren (aktive Bauteile sind ausschliesslich Elektronenröhren) Transistor (aktive Bauteile sind ausschliesslich Transistoren) Hybrid (Mischform aus den beiden Vorangegangenen bei der die Vorstufe in Transistortechnik und die Endstufe in Röhrentechnik aufgebaut ist oder umgekehrt) Simulator (digitale Prozessoren, die das Verhalten eines Röhrenverstärkers simulieren) 8 Bei den mir vorliegenden Verstärkern handelt es sich einerseits um einen selbst gebauten Vollröhrenverstärker, andererseits um einen Transistorverstärker der Firma Hughes & Ketter. 4.3 Der Röhrenverstärker Wie schon in Kapitel 4.1.2 Gitarrenverstärker beschrieben, werden bei Vollröhrenverstärkern ausschliesslich Röhren zur Verstärkung verwendet. Abbildung 5 zeigt das Symbol für eine Röhre. In diesem Fall ist es eine Triode mit drei Elektroden. Dabei handelt es sich um die Anode(a), die Kathode(k) und das Steuergitter(g1). Diese Elektroden sind innerhalb eines Glaskolbens, in dem ein Vakuum herrscht befestigt. Mit Hilfe einer Heizung (f) wird die Kathode(k) aufgeheizt. Durch das Steuergitter kann der Elektronenfluss von der Kathode zur Anode durch eine der Kathode gegenüber negativen Spannung gesteuert werden. Abbildung 5: Symbol einer Röhre Auf Abbildung 6 ist das Grundprinzip eines Röhrenverstärkers zu sehen. Der Verstärker wird mit einer Spannung +Ub von meistens mehreren hundert Volt versorgt. NFin ist der Eingang. Hier wird die Signalquelle angeschlossen, durch die Röhre verstärkt und an den Lautsprecher (rechts) weitergegeben. Zwischen Lautsprecher und Röhre ist zur Abbildung 6: Grundprinzip eines Röhrenverstärkers Impedanzanpassung ein sogenannter Ausgangsübertrager eingebaut. (siehe S.10) Nach langem Suchen eines geeigneten Gerätes, stiess ich auf die Internetseite von Markus Breier. Auf dieser sehr gut gestalteten Seite findet sich der Schaltplan und das Layout für einen AC-30 Vollröhrenverstärker. Diesen Verstärker verwenden Gitarristen berühmter Bands, wie beispielsweise Queen, aufgrund seines unvergleichlichen Klangs. Es handelt sich um einen Verstärker der 60er Jahre, welcher vollkommen auf Transistoren und Siliziumdioden verzichtet. Somit ist es das perfekte Gerät für den Vergleich Röhren- Transistorverstärker. Die Bauteile sind von den Internetshops tube town, das Musikding, Conrad, Welter-Elektronik in bester Qualität bereitgestellt worden. Das Gehäuse habe ich von der Firma Ferag AG in Hinwil massanfertigen lassen. Es besteht aus 2mm Eisenblech und ist 9 von überragender Qualität und Passgenauigkeit. Zuerst habe ich die Lochrasterplatinen bestückt und gelötet. Das auf der Internetseite von Markus Breier vorhandene Layout war dabei eine grosse Hilfe. Danach wurde das Gehäuse bestückt und es erfolgten die ersten Testläufe. Nachdem die fehlerfreie Funktion gewährleistet war, konstruierte und baute ich das Gehäuse. Dieses besteht aus 1.9cm Fichtenholz. Zur besseren Belüftung sind vorne und hinten Lochbleche aus Aluminium angebracht. Auf Abbildung 7 ist der Schaltplan des Röhrenverstärkers zu sehen. Die unkomprimierte Form ist im Anhang aufgeführt. Links unten ist das Netzteil zu sehen, welches die Spannungsversorgung des Verstärkers darstellt. Links oben sind die beiden Vorverstärker zu erkennen, welche jeweils mit einer anderen Charakteristik das Gitarrensignal ein erstes Mal verstärken, so dass es genug stark ist um die Endstufe zu betreiben. Diese befindet sich rechts oben. Zuerst durchläuft das Signal, das von den Vorverstärkern kommt eine sogenannte Phasenumkehrstufe. Diese trennt das Signal in zwei um 180° gedrehte Signale auf und gibt es an die Endröhren weiter. Im Falle des verwendeten VOX AC 30 arbeiten hier vier EL84 Leistungspentoden im Gegentakt. Diese verstärken das Signal um ein vielfaches. Eine Elektronenröhre ist aber hochohmig. Beim AC30 beträgt die Impedanz 3.8kOhm. Ein Lautsprecher hat in der Regel aber eine Impedanz von 4-16Ohm. Aus diesem Grund ist zwischen Endstufe und Lautsprecher ein Ausgangsübertrager installiert, der die hohe Impedanz der Endröhren der niedrigen Impedanz des Lautsprechers anpasst. Abbildung 7: Schaltplan AC30 10 4.4 Der Transistorverstärker Auf Abbildung 8 ist das Symbol eines Feldeffekttransistors(FET) zu sehen. Es sind drei Anschlüsse zu erkennen. Gate(G), Source(S) und Drain(D). Sie entsprechen dem Steurgitter(g1), der Anode(a) und der Kathode(k) einer Elektronenröhre. Wie bei einer Röhre lässt sich die Spannung vom Drain- zum Sourceanschluss mit einer Spannung am Gate steuern. Der Unterschied zur Röhre besteht darin, dass es sich hierbei nicht um Elektroden handelt, die sich in einem Glaskolben befinden, sondern um ein Siliziumsubstrat in welchem mittels der Gatespannung ein mehr oder weniger Abbildung 8: Symbol eines Transistors leitender Kanal vom Drain zum Source oder umgekehrt entsteht. Abbildung 9 zeigt ein einfaches Schaltbild für einen Transistorverstärker mit einem FET. Über den Anschluss +volts wird der Verstärker mit Gleichspannung versorgt. Am Eingang (input) wird das Signal angeschlossen, welches das Gate steuert, welches wiederum die Ausgangsspannung regelt. Der Lautsprecher wird am Ausgang (output) angeschlossen. Abbildung 9: einfacher Transistorverstärker Beim Transistorverstärker für den Vergleich handelt es sich um einen Hughes&Kettner Matrix 100. Das ist ein 100Watt Analogverstärker der komplett auf Elektronenröhren verzichtet und mit den neueren MOSFET-Transistoren (siehe S.4) arbeitet. Ein Matrix 100 besitzt 4 verschiedene Kanäle: Clean (unverzerrt bis ganz leicht verzerrt) Crunch (stärker verzerrt (britischer Hard-Rock Sound)) Lead (High Gain (stark verzerrt)) Warp (Ultra High Gain (sehr stark verzerrt)) Die Bezeichnung Matrix 100 steht zum Einen für die integrierte Effektsektion, mit der es möglich ist verschiedene Effekte wie Hall oder Delay ins Signal einzuspeisen, zum Anderen handelt es sich um die Angabe der Ausgangsleistung. Sie beträgt 100W. Da jegliche Beimischung von Effekten den Frequenzgang und den Klang beeinflusst, bleibt die Effektsektion des Matrix 100 Verstärkers für die Messungen ausgeschaltet.Um einen Vergleich überhaupt zu ermöglichen, wird nur der Clean Kanal zur Messung verwendet, da er dem top-boost Kanal des Röhrenverstärkers am ähnlichsten ist und nur ein unverzerrtes Signal einen aussagekräftigen Vergleich zulässt. 11 4.5 Der Versuchsaufbau Der Versuchsaufbau sieht wie folgt aus: Das Signal wird von einem Signalgenerator (Computerprogramm) erzeugt und über die Soundkarte des Laptops ausgegeben, welche mit dem Eingang des Verstärkers verbunden ist. Das Signal durchläuft den Verstärker und wird verstärkt. Mittels eines Spannungsteilers wird das verstärkte Signal wieder auf Linepegel gebracht (max. 1V), zurück zur Soundkarte gesendet und mittels eines weiteren Programms aufgezeichnet. Bei den verwendeten Programmen handelt es sich um Audio SweepGen Version 3.1.0.16 zur Bereitstellung des Signals und um das Programm AudioAnalyser von http://softsolutions.seductet.de zu dessen Aufzeichnung. Die Parameter, nach welchen die Verstärker verglichen werden lauten wie folgt: Frequenzgang Der Frequenzgang ist ein Diagramm, das eine Verknüpfung zwischen der Amplitude, gemessen in dB(A) und der Frequenz, gemessen in Herz(Hz) herstellt. Es ermöglicht eine Aussage über die Linearität eines Verstärkers, da es aufzeigt welche Frequenz wie stark verstärkt wird. Ein optimaler Frequenzgang ist eine waagrechte Linie. In diesem Fall gibt der Verstärker jede Frequenz genau so wieder heraus, wie sie eingespeist wird, nur eben lauter. Klirrfaktor Der Klirrfaktor misst das Aufkommen von nicht linearen Verzerrungen in Form von Oberwellen, die ihrerseits immer Vielfache der Ausgangsfrequenz sind. (z.B die Oberwellen eines Signals von 1000Hz sind 2000Hz 3000Hz 4000Hz usw.) In meinem Versuchsaufbau wird der Klirrfaktor jeweils bei einer Frequenz von 4khz gemessen. Das eingespeiste Signal hat eine Amplitude von 1V. Für die Klirrfaktorberechnung existiert die Formel 100* . U0 ist die Ausgangsspannung also 1V. U1,U2 usw. sind die Spannungen der Oberwellen. Je höher diese Spannungen sind, desto grösser sind die ungewollten Verzerrungen und desto schlechter ist die Qualität des Verstärkers. Bei einem Gitarrenverstärker bietet die Messung des Klirrfaktors eigentlich keine Möglichkeit zur Qualitätsunterscheidung, da die Entstehung von Oberwellen ja ausdrücklich erwünscht ist und zum Klangbild beiträgt. Sie wird der Form halber trotzdem durchgeführt. Aufkommen und Struktur von Oberwellen Oberwellen sind Verzerrungen, die bei der Verstärkung eines Signals unumgänglich sind. (siehe Klirrfaktor) 12 Es werden verschiedene Frequenzen eingespielt um das Aufkommen der Oberwellen zu kontrollieren. Gerade die Oberwellen, also vom Verstärker erzeugte Verzerrungen, sind bei einem Gitarrenverstärker äusserst wichtig, da sie im verzerrten Bereich den Klang stark beeinflussen. Es werden ebenfalls verschiedene Frequenzen gleichzeitig eingespielt (z.B 1000Hz + 10 000Hz) , um das Verhalten des Verstärkers unter realistischen Bedingungen zu testen. (Ein Gitarrensignal besteht nie aus nur einer Frequenz.) Zusätzlich wird ein kompletter Frequenzgang von 20Hz bis 20 000 Hz gemessen. Um ein genaueres Ergebniss zu erhalten, wird der Frequenzgang in Etappen gemessen. D. H. von 20Hz bis 2000Hz, von 2001Hz bis 4000Hz, usw. Der Frequenzgang wird zwei Mal gemessen. Einmal bei voll aufgedrehtem Vorverstärker (d.h. das Volume Potentiometer des Vorverstärkers ist auf Maximum) und einmal bei minimaler Lautstärkeeinstellung des Vorverstärkers. Um den Ausgangspegel bei allen Messungen konstant zu halten, wird mittles des Master Volume Reglers das Signal bei einer Frequenz von 10 000 Hz auf 0Db gezogen. Bei HIFI Verstärkern wird versucht die Charakteristik des Lautsprechers so weit wie möglich linear zu halten. Er soll den Klang nicht beeinflussen. Bei einem Gitarrenverstärker ist diese Beeinflussung des Klangs jedoch ausdrücklich erwünscht und trägt zum speziellen Klang jedes einzelnen Verstärkers bei. Aus diesem Grund ist der Lautsprecher bei meinen Testreihen permanent angeschlossen. Damit die Resultate aussagekräftig sind, wird für beide Verstärker derselbe Lautsprecher verwendet. Der Einfachheit halber handelt es sich um den Lautsprecher des Hughes&Kettner Combo Verstärkers. Er wird parallel zur Soundkarte des Computers angeschlossen. 13 5. Ergebnisse 5.1 Frequenzgang 5.1.1 Röhrenverstärker Abbildung 10 zeigt den Frequenzgang des AC 30 Röhrenverstärkers, wenn die Lautstärkeeinstellung des Vorverstärkers maximal ist. Der Master Volume Regler ist dementsprechend zurückgeregelt. Die Störsignale, die unten links im Diagramm zu sehen sind, stammen vom Laptop und sind zu vernachlässigen. Sie stellen keinerlei Beeinträchtigung der Messung dar. Abbildung 11 zeigt den Frequenzgang des Röhrenverstärkers bei niedriger Lautstärke des Vorverstärkers. Interessant ist der Abfall der niederen Frequenzen bei geringer Lautstärke. Abbildung 10: Frequenzgang AC 30 (Vorverstärker maximale Lautstärke) Abbildung 11: Frequenzgang AC 30 (Vorverstärker minimale Lautstärke) 14 5.1.2 Transistorverstärker Abbildung 12 zeigt den Frequenzgang des Matrix 100 Transistorverstärkers bei maximaler Lautstärke des Vorverstärkers. Es handelt sich um einen fast komplett linearen Frequenzgang. Die Einbrüche unter 2000Hz und oberhalb von 19 000Hz sind minimal. Auf Abbildung 13 ist der Frequenzgang des Matrix 100 bei minimaler Lautstärke des Vorverstärkers zu sehen. Er zeigt dieselben Einbrüche bei Frequenzen unter 10 000 Hz wie der Röhrenverstärker, wenn auch nicht so stark. Abbildung 12: Frequenzgang Matrix 100 (minimale Lautstärke) Abbildung 13: Frequenzgang Matrix 100 (maximale Lautstärke) 15 5.2 Klirrfaktor 5.2.1 Röhrenverstärker Abbildung 14 zeigt die Messung von 4000Hz beim Röhrenverstärker. Die Spannungen der einzelnen Oberwellen werden mit Hilfe der Formel Klirrfaktorformel ergibt sich ein Klirrfaktor von 100* ausgerechnet. Eingesetzt in die 4.68% Abbildung 14: Messung des Klirrfaktors AC 30 5.2.2 Transistorverstärker Abbildung 15: Messung des Klirrfaktors Matrix 100 Abbildung 15 zeigt die Messung von 4000Hz beim Transistorverstärker. Eingesetzt in die Klirrfaktorformel ergibt sich ein Klirrfaktor von K= 100* 16 = 4.22% 5.3 Oberwellen Zur Messung der Oberwellen die ein Verstärker zwangsläufig erzeugt, wurden verschiedene einzelne Frequenzen eingespielt. Bei einer Frequenz von 2000Hz und verzerrtem Verstärker sind diese Verzerrungen sehr schön zu sehen. Abbildung 16zeigt das Frequenzdiagramm des AC 30 Röhrenverstärkers bei dieser Messung mit 2000Hz. Abbildung 17 zeigt das Frequenzdiagramm des Matrix 100 Transistorverstärkers bei der gleichen Messung. Zwischen den beiden Diagrammen sind deutliche Unterschiede zu sehen. Die Amplituden der Oberwellen des Röhrenverstärkers gehen mehr oder weniger gleichmässig zurück, während diejenigen des Transistorverstärkers ein auf und ab zeigen. Abbildung 16: 2000Hz AC 30 Abbildung 17: 2000Hz Hughes&Kettner 17 Auf Abbildung 18 ist das Frequenzdiagramm des Röhrenverstärkers zu sehen, wenn gleichzeitig die beiden Frequenzen 1000Hz und 10 000Hz eingespielt werden. Dabei entstehen immer Kombinationsfrequenzen. Abbildung 19 zeigt das Frequenzdiagramm des Transistorverstärkers bei gleicher Ausgangslage. Es werden ebenfalls die Frequenzen 1000Hz und 10 000Hz eingespielt. Abbildung 18: 1000Hz + 10 000Hz AC 30 Abbildung 19: 1000Hz + 10 000Hz Matrix 100 Die beiden Frequenzdiagramme sehen sich zwar ähnlich, weisen aber doch Unterschiede auf. Während beim Röhrenverstärker die Amplituden kontinuierlich und immer gleichbleibend absteigen, sehen sie beim Transistorverstärker, ähnlich wie bei der Messung mit 2000Hz ungeordnet aus. 18 6. Diskussion Subjektiv hat der Röhrenverstärker im Cleanen (also unverzerrten) Bereich einen klareren und direkteren Klang. Auch hat er ein viel direkteres Ansprechverhalten. Im verzerrten Betrieb kann der Transistorverstärker überzeugen, da der Röhrenverstärker weniger verzerrt. Dies liegt aber am Schaltungskonzept und nicht an der Röhrentechnik. Die Ergebnisse des Frequenzganges der beiden Kontrahenten ergeben ein klares Bild. Der Transistorverstärker besitzt einen lineareren Frequenzgang als der Röhrenverstärker. Dies ist keine Verwunderung, da Transistorverstärker bekanntlich mittels Gegenkopplung den Frequenzgang linearisieren. Auch die Messung des Klirrfaktors geht zu Gunsten des Transistorverstärkers. Er erzeugt weniger nicht-lineare Verzerrungen und besitzt damit einen kleineren Klirrfaktor als der Röhrenverstärker. Auch dies ist unter Berücksichtigung der bestehenden Literatur keine Verwunderung. Die Ergebnisse der ersten beiden Beurteilungskriterien weisen daher auf eine klangliche Überlegenheit des Transistorverstärkers hin. Die Messung der Oberwellen ergibt jedoch ein nicht eindeutiges Ergebnis. Beide Verstärker erzeugen dieselben Oberwellen. Der Unterschied besteht in den Amplituden. Gerade bei einer Einspeisung von zwei verschiedenen Frequenzen gleichzeitig ergibt sich ein völlig anderes Bild. Während die Amplituden der Oberwellen des Röhrenverstärkers beginnend von der mit der stärksten Aussteuerung gleichmässig abnehmen, sind sie beim Transistorverstärker scheinbar völlig ungeordnet. Auch wenn dieses Ergebnis keinen direkten Schluss auf die Qualität gibt, so sind sie doch ein Indiz für die Begründung der klanglichen Unterschiede der beiden Konzepte, denn hier gleichen sich die Ergebnisse meiner Messungen mit den Ergebnissen vorangegangener Studien. Fast ausschliesslich alle kommen zum Schluss, dass ein Röhrenverstärker aufgrund der Charakteristik seiner Oberwellen besser klingt als ein Transistorverstärker. Schluss Abschliessend lässt sich sagen, dass sich zwar ein Unterschied in den Messungen feststellen liess, dieser aber nicht ohne weiteres mit einem Qualitätsunterschied und/oder einem Klangunterschied in Verbindung bringen lässt. Die Kongruenz von vorangegangenen Studien mit meinen Messergebnissen und die Tatsache, dass sich Elektronenröhren in Gitarrenverstärkern bis heute behaupten können, lässt für mich aber keine Fragen mehr offen und sagt meiner Meinung nach aus, dass Röhren einen feineren, wärmeren und klareren Klang bieten als Transistoren. 19 7. Glossar analoger Verstärker: Das Signal wird von aktiven Bauteilen wie Transistoren oder Röhren verstärkt digitaler Verstärker: Das Signal wird digitalisiert, also in die Sprache der Computer übersetzt und von diesen Computern verstärkt. Frequenz: Gibt die Anzahl sich wiederholender Schwingungen pro Sekunde an Halbleiter: Material, das sowohl als Leiter als auch als Nichtleiter bezeichnet werden kann Wird zum Bau von Transistoren verwendet HIFI: Qualitätsstandart für Audio-Wiedergabegeräte Impedanz: Gibt das Verhältnis elektrischer Spannungen an einem Bauteil (hier ein Transformator) an Layout: Plan der die Korrekte Verkabelung elektrischer Geräte zeigt Oberwellen: ganzzahliges Vielfaches der Grundfrequenz Röhrenverstärker: Ein Röhrenverstärker ist ein Gerät, das zur Verstärkung eines Signals Elektronenröhren benutzt Schaltplan: Plan, der die korrekte Verkabelung eines elektrischen Gerätes zeigt Transistorverstärker: Ein Gerät, das Transistoren zur Verstärkung eines Signals verwendet Watt: Einheit zur Angabe der Leistung (hier: Ausgangsleistung eines Verstärkers) 20 8. Quellenverzeichnis Markus Breier http://www.unet.univie.ac.at/~a9525719/amp/index.html (17.10.2011) http://de.wikipedia.org/wiki/Transistor (17.10.2011) http://de.wikipedia.org/wiki/Elektronenr%C3%B6hre (17.10.2011) http://de.wikipedia.org/wiki/Verst%C3%A4rker_(Elektrotechnik) (17.10.2011) http://de.wikipedia.org/wiki/Gitarrenverst%C3%A4rker (17.10.2011) Ralf Richard Ohmberger Diplom-Ing.(FH) http://www.amplifier.cd/Tutorial/Klirrfaktor/Klirrfaktor.htm (17.10.2011) Christoph Caspari Dipl.Ing. Elektrotechnik http://www.elektronikinfo.de/strom/roehrenirrtum.htm#Loetleiste (17.10.2011) http://www.hifi-forum.de/viewthread-43-578.html (17.10.2011) Bilder-Quellenverzeichnis http://www.thomann.de/de/tad_rt274_roehre_el84_cz_quartett.htm(17.10.2011)(Abbildung 1) http://de.wikipedia.org/wiki/Transistor (17.10.2011) (Abbildung 2,8) http://de.wikipedia.org/wiki/Verst%C3%A4rker_(Elektrotechnik) (17.10.2011) (Abbildung 3) http://de.wikipedia.org/wiki/Gitarrenverst%C3%A4rker (17.10.2011) (Abbildung 4) http://de.wikipedia.org/wiki/Elektronenr%C3%B6hre (17.10.2011) (Abbildung 5) http://de.wikipedia.org/wiki/R%C3%B6hrenverst%C3%A4rker (17.10.2011) (Abbildung 6) http://www.unet.univie.ac.at/~a9525719/amp/index.html (17.10.2011) (Abbildung 7) http://www.sciencelobby.com/field-effect-transistor/junction-fet-as-an-amplifier.html (17.10.2011) (Abbildung 9) 21 9. Anhang Abbildung 20: Schaltplan AC 30 Verstärker unkoprimiert 22 Abbildung 21: Layout AC 30 Verstärker 23 Abbildung 22: Vermessung des AC 30 Röhrenverstärkers Abbildung 23: Vermessung des Matrix 100 Transistorverstärkers 24 10. Eigenständigkeitserklärung Ich erkläre hiermit, dass ich die vorliegende Maturaarbeit selbstständig und ohne unerlaubte fremde Hilfe erstellt habe und dass alle Quellen, Hilfsmittel und Internetseiten wahrheitsgetreu verwendet wurden und belegt sind. Datum: 25 Unterschrift: