Vergleich eines selbstgebauten Röhrenverstärkers mit einem

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
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Abbildung 22: Vermessung des AC 30 Röhrenverstärkers
Abbildung 23: Vermessung des Matrix 100 Transistorverstärkers
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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:
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Unterschrift: