Elektronenröhrenverstärker in der Akustik(Steffen Aust, 2006)
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Elektronenröhrenverstärker in der Akustik Alte Technik heute noch interessant? Jahresarbeit in der Klasse 12 der Freiherr-vom-Stein-Schule Hessisch-Lichtenau von Steffen Aust am 04.05.06 im Fach Physik bei Herrn Meyfarth Inhaltsverzeichnis Seite Kapitel 1 2 2.1 2.2 3 02 03 03 03 04 3.1 3.1.1 3.1.2 3.1.3 3.2 3.3 3.3.1 3.3.2 3.4 3.5 3.6 3.7 3.7.1 3.7.1.1 3.7.1.2 3.7.1.3 3.7.2 3.7.3 4 4.1 4.2 4.3 Vorwort Geschichtliches Erfindung der Elektronenröhre Einsatzfelder damals und heute Funktion der Bauteile in einer Elektronenröhrenverstärkerschaltung und allgemein in Klangschaltungen Die Elektronenröhre Die Gleichrichterdiode Die Triode/Doppeltriode Die Pentode Kondensatoren Widerstände Statischer Widerstand Potentiometer Drosseln Transformatoren Ausgangsübertrager Schaltungsbeispiele und -prinzipien Vorstufe Verstärkungsfaktor Klirrfaktor Filter Endstufe Netzteil/Heizung Vergleich von Elektronenröhren mit Transistoren Betriebsumfeld Verzerrung/Klirrverhalten Eingangsempfindlichkeit/Kompression 4.4 5 5.1 5.2 6 7 7.1 7.2 7.3 7.4 7.5 Zusammenfassung/Fazit Messungen Experiment zur Filtermessung Messung von Verzerrverhalten Nachwort Anhang Fachwortverzeichnis Messreihe 1 Schaltplan JTM45 Literatur Erklärung 23 24 24 26 27 28 28 31 32 33 33 Im Text kursiv und grau geschriebene Wörter werden im Fachwortverzeichnis erklärt. 1 04 06 07 07 08 08 09 09 10 11 11 12 12 13 14 15 16 18 20 20 21 22 1 – Vorwort Nach meinen Schätzungen dürften heutzutage die Wenigsten wissen, was es mit der Sache auf sich hat, welche im Titel meiner Jahresarbeit zu finden ist. Als ich Freunden erzählt habe, dass ich darüber schreiben will, kamen meistens nur Sätze wie „Was ist den bitte eine Elektronenröhre?“. Heute fast komplett aus dem Erscheinungsbild der Technik verdrängt, war die Elektronenröhre früher für lange Zeit das fortschrittlichste Bauelement in der Elektrotechnik. Kauft man heute einen normalen Verstärker für seine Stereoanlage oder gar für den ultimativen Heimkino-Surroundsound sind diese mit Transistoren und modernen digitalen Mikrochips bestückt. Als ich in einem Prospekt einen einfachen Stereoverstärker für 10.000 € entdeckte, dachte ich mir zu erst, dass dies wohl eine Kreation der neuen modernen Technik sein muss, mit allen Highend Funktionen, die es heutzutage gibt. Aber bei näherem hinschauen erkannte ich, dass es wirklich nur ein einfacher Verstärker war, ohne Schnickschnack, allerdings mit der Kennzeichnung: „Röhrenverstärker“. Auch als ich angefangen habe E-Gitarre zu spielen, wurde ich mit der Frage konfrontiert, was für einen Gitarrenverstärker ich mir kaufen sollte. Wieder entdeckte ich horrende Preise ab 1500 € für einen Röhrenverstärker. Dabei gibt es die moderneren Transistorvarianten mit gleicher Leistung schon für ein Zehntel des Preises. In mir stellte sich dann die Frage, warum Leute bereit sind für alte Technik so viel Geld auszugeben und vor allem, was denn an einem Röhrenverstärker so viel besser sein soll. Immerhin hat die Elektronenröhre eine mittlerweile über hundertjährige Geschichte. Hinzu kommt, dass ich mir als technisch interessierter Mensch schon immer die Frage gestellt hab, wie so ein Verstärker überhaupt funktioniert. Um mir, und allen, die daran interessiert sind, diese Fragen zu beantworten, werde ich mich mit dieser Jahresarbeit auf die Suche nach einer Antwort begeben. Da Verstärker ein sehr umfangreiches Thema sind, setze ich meinen Schwerpunkt in dieser Arbeit auf die Funktionen der Bauteile in einem Gitarrenröhrenverstärker und die damit verbundene technische Erklärung der Klangentstehung und auf die Beantwortung der Frage, warum denn diese alte Technik anscheinend immer noch besser ist als neue. 2 2.1 – Erfindung der Elektronenröhre Die Geschichte der Elektronenröhre lässt sich bis ins 19. Jahrhundert zurückverfolgen. Der amerikanische Erfinder Thomas Edison stellte 1885 bei einem Experiment mit einer Glühbirne fest, dass zwischen einer zusätzlichen Elektrode, die er eingefügt hat, und dem eigentlichen Glühdraht ein Strom fließt, obwohl sie nicht direkt miteinander verbunden sind. Dieses Phänomen wird deshalb Edison-Effekt genannt. Auf diese Grundlage aufbauend, erfand der Engländer John Ambrose Fleming im Jahr 1904 die Elektronenröhre, weil er herausfand, dass der Edison-Effekt zum Aufspüren von Radiowellen genutzt werden kann.1 2.2 – Einsatzfelder damals und heute Als erstes verstärkendes Element in der Geschichte der Elektrik hatte die Elektronenröhre viele Einsatzfelder und ist bis heute auf einigen von ihnen immer noch vertreten. Allerdings werden die meisten Funktionen heute von moderneren Bauteilen wie Transistoren und integrierten Chips übernommen. Unter anderem wurde die Elektronenröhre als Sender und Empfänger in der Radiotechnik benutzt, weshalb fast alle Erweiterungen und Verbesserungen, die an Röhren vorgenommen wurden auf das Konto des Militärs gehen. Da es damals noch keine Alternative gab, wurde die Röhre laufend weiterentwickelt. Am aktivsten waren dabei die Russen, die bis heute hunderte von Röhrentypen entwickelten. Auch in der Fernsehtechnik spielt die Elektronenröhre eine wichtige Rolle. Die so genannte Braun’sche Röhre ist bis heute in Röhrenfernsehgeräten vertreten. Zudem findet man Röhren im HiFi Bereich und Instrumentenverstärkern. Durch den Vormarsch der Transistoren, Operatoren und Digitaltechnik wurde die Elektronenröhre in den meisten Einsatzgebieten verdrängt. Fernsehgeräte arbeiten heutzutage mit LCD- oder Plasmatechnik, HiFi- und Instrumentenverstärker werden mit Transistoren betrieben, genauso wie die Funktechnik der Militärs. Heute findet man Röhren immer noch in leistungsstarken Hochfrequenzverstärkern, da sie dort die kostengünstigste Lösung darstellen. Auch im High End Bereich von Akustikverstärkern werden sie heute noch benutzt, da sie wegen ihres „reineren“ Klanges bevorzugt werden. Woran das liegt, wird in Kapitel 4 beschrieben. 1 http://de.wikipedia.org/wiki/Elektronenr%C3%B6hre Kapitel Geschichte 3 3 - Funktion der Bauteile in einer Elektronenröhrenverstärkerschaltung und allgemein in Klangschaltungen In den nächsten Kapiteln möchte ich darauf eingehen, wie die einzelnen Bauteile einer Klangschaltung funktionieren. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen aktiven und passiven Bauelementen. Aktive Bauteile arbeiten nur mit externer Stromzufuhr und sind meistens dazu da, um ein elektrisches Signal zu verstärken, Beispiel Elektronenröhre. Passive Bauteile hingegen benötigen keinen externen Strom sondern beeinflussen den elektrischen Strom nur durch ihre elektrischen Eigenschaften, wie z.B. der Kondensator. 3.1 - Die Elektronenröhre Um die Funktion einer Elektronenröhre zu verstehen, betrachtet man zu erst einmal ihre einfachste Ausführung: die Diode. Eine Diode ist eine zweipolige Elektronenröhre, welche aus einem Glaskolben und zwei Elektroden besteht, die weiter unterteilt als Anode und Kathode zu bezeichnen sind.2 Im Glaskolben der Diode herrscht ein Vakuum, in dem die Elektronen von der Kathode zur Anode fließen sollen. Um einen fließenden Strom zu erreichen, müssen im Vakuum frei bewegliche Elektronen vorhanden sein, was aber so nicht erreichbar ist. Es gibt mehrere Methoden, um Elektronen in den Vakuumraum zu bekommen, die sich nur in der Energiezuführung unterscheiden, jedoch das gleiche Prinzip haben: Man führt der Kathode Energie zu, damit sie Elektronen freisetzt. Dieses Freisetzen nennt man Elektronenemission. Die Elektronen müssen ihre Molekularanziehung überwinden, was sie nur mit einer gewissen Geschwindigkeit erreichen können. Diese Geschwindigkeit wird erhöht, indem mehr Energie hinzugeführt wird. Es gibt vier verschiedene Formen, in denen man diese Energie den Elektronen hinzufügen kann: 2 Siemens „pu26“ S.7-9 4 1. Sekundäremission: Elektronen oder Ionen werden mit entsprechend hoher Geschwindigkeit auf die Kathode geschossen, um andere Elektronen aus ihr herauszuschießen. 2. Photoemission: Die nötige Energie wird durch Lichtquanten zugeleitet, d.h. sie werden mit intensivem Licht bestrahlt. 3. Feldemission: Durch Anwendung sehr hoher Feldstärken können Elektronen freigesetzt werden. 4. Wärmeemission: Durch erhitzen der Elektrode erhalten die Elektronen genügend Energie um zu emittieren.3 Diese Form der Emission ist die für Elektronenröhren in Klangverstärkern die einzig relevante, und deshalb werde ich mich nur mit dieser weiter beschäftigen. Wenn eine Elektronenemission gegeben ist, entsteht eine Elektronenwolke um die Kathode. Es erreichen aber nur wenige Elektronen die Anode. Damit dieses Problem behoben wird, legt man eine Gleichspannung an beide Elektroden, sodass die Kathode negativ und die Anode positiv geladen ist. Durch diese Ladungen entsteht ein Elektronenfluss von Kathode zu Anode, da die Elektronen von der positiv geladenen Anode angezogen, gleichzeitig aber auch von der negativ geladenen Kathode abgestoßen werden. 4 Die Geschwindigkeit, die die Elektronen erreichen, hängt von der angelegten Gleichspannung ab und lässt sich über die kinetische und elektrische Energie sehr einfach berechnen. In einem Elektronenröhrenverstärker, der zur Verstärkung von Tonsignalen eingesetzt werden soll, kommen im Regelfall drei verschiedene Röhrenarten vor: 1. Die Diode als Gleichrichter 2. Die Triode/Doppeltriode als Vorverstärker- und Treiberröhre 3. Die Pentode als Endstufenröhre Auf diese Röhrenarten wird in den nächsten Kapiteln näher Berechnung der Elektronengeschwindigkeit mithilfe der Energieerhaltung eingegangen. 3 4 Siemens „pu26“ S.11-23 Ebd. S.17;31 5 Von links nach rechts: Gleichrichterdiode GZ34, Doppeltriode ECC83, Pentode KT66 3.1.1 - Die Gleichrichterdiode Die simpelste Röhre, die man in einer Röhrenschaltung findet, ist die Gleichrichterdiode. Die Aufgabe dieser Röhre besteht darin, den aus unserem Stromnetz kommenden Wechselstrom in Gleichstrom umzuwandeln. Die Funktion ist relativ einfach: Betrachtet man den Aufbau der Diode, sieht man, dass nur die Kathode Elektronen emittieren kann, da sie die erhitzte Elektrode ist. Des Weiteren weiß man, dass Elektronen stets negativ geladene Teilchen sind. Wechselstrom aus dem Stromnetz ändert seine Polarität mit einer Frequenz von 50 Hz, was heißt, dass 25 Mal in der Sekunde die Spannung an den Elektroden von negativ auf positiv wechselt und umgekehrt. Da aber ein Elektronenstrom von Kathode zu Anode nur entstehen kann, wenn die Anode positiv geladen ist, werden die unteren Sinuswellen des Wechselstroms gekappt, weil bei jeder Negativladung der Anode die Elektronen zurück zur Kathode schießen. So entsteht ein mit 50 Hz flimmernder Gleichstrom, der mit Filtern weiter geglättet werden kann.5 5 Siemens „pu26“ S.67 6 3.1.2 - Die Triode/Doppeltriode Eine Triode ist die erste erweiterte Bauform der Diode, und wie der Name sagt eine Dreipolröhre. Zu den beiden Standardpolen Kathode und Anode kommt nun ein dritter Pol, welcher als Steuergitter bezeichnet wird. Dieses Steuergitter kommt zwischen Anode und Kathode und ist meistens spiralförmig aufgebaut. Die Funktion des Gitters besteht darin, die Elektronen zum Schwingen zu bringen. Wenn man an das Gitter eine negative Spannung und Schaltbild der Triode zusätzlich eine Wechselspannung anlegt, werden die Elektronen zum Schwingen gebracht. Die Frequenz der Schwingung ist dieselbe wie die der angelegten Wechselspannung. 6 Das macht man sich in der Tontechnik zu nutzen, indem man an das Steuergitter die Wechselspannung des Eingangssignals anlegt, z.B. eine E-Gitarre. Dieser noch schwache Strom bringt dann die Elektronen des starken Anodenstroms auf die gleiche Frequenz. Somit wird der Eingangsstrom verstärkt. Neben der einfachen Triode gibt es auch die Doppeltriode. In ihr arbeiten zwei Trioden in einem Glaskolben. 3.1.3 - Die Pentode Die nächste Weiterentwicklung der Elektronenröhre, welche in Niederfrequenzverstärkern relevant ist, nennt sich Pentode und besitzt 5 Elektroden. Die Pentode ist aus der Tetrode entstanden, welche zu den drei Elektroden der Triode ein zusätzliches Schirmgitter hat. Das Schirmgitter isoliert die Anode von der Kathode, und der Elektronenstrom entsteht nicht mehr wegen der Spannung zwischen Anode und Kathode sondern auf Grund der positiven Spannung des Schirmgitters, welches die Elektronen zur Anode „schiebt“. Das Problem der Tetrode sind die nun erreichten hohen Geschwindigkeiten der Elektronen, da sie Sekundärelektronen aus der Anode schießen, die vom positiv geladenen Schirmgitter aufgenommen werden und Verzerrungen erzeugen. Um dieses Problem zu umgehen, wurde mit der Pentode das so genannte Bremsgitter eingeführt, das sich zwischen Anode und Schirmgitter befindet und die zurück geschossenen Elektronen durch negative Ladung zur Anode lenkt, aber den Anodenstrom selbst durch weite Gittermaschen nicht behindert. 6 Siemens „pu 28“ S.17 7 Der Vorteil der Pentode gegenüber der Triode ist die weitaus größere Verstärkungszahl. Allerdings erzeugt sie ein sehr viel stärkeres Brummen.7 3.2 - Kondensatoren Neben den aktiven Elementen wie den Elektronenröhren gibt es in einer Schaltung auch andere Bauteile, die einen erheblichen Einfluss auf den Klang und die Eigenschaften eines Verstärkers haben. Die meisten dieser Bauteile arbeiten passiv, so auch der Kondensator. Ein Kondensator besteht aus zwei Leitern, zwischen denen sich ein so genanntes Dielektrikum befindet. Wird eine Spannung an den Kondensator angelegt, lädt sich durch Influenz der eine Leiter positiv, der andere negativ auf. Über das nun entstandene elektrische Feld findet ein kontinuierlicher Ladungsausgleich statt, sodass der elektrische Strom weiter fließen kann. Die Größe, die ausschlaggebend für einen Kondensator ist, heißt elektrische Kapazität und wird in der Einheit Farad gemessen. Die Kapazität errechnet sich aus der Dielektrizitätskonstante ε0, der Permittivitätszahl des Dieelektrikums εr, sowie der Größe und des Abstands der zwei Leiter. Daraus ergibt sich die Formel: C = ε0 * εr * A/d. Bei der Verwendung von Kondensatoren muss man darauf achten, dass die angelegte Spannung nicht die für den Kondensator zulässige Spannung überschreitet. Ist die Spannung zu hoch, schlägt die Spannung durch das Dieelektrikum über und kann zur Zerstörung oder gar zur Explosion des Kondensators führen. Kondensatoren unterschiedlicher Bauart8 3.3 - Widerstände Widerstände sind Bauteile, die eingesetzt werden, um an einer bestimmten Stelle im Schaltkreis den elektrischen Widerstand zu erhöhen. Grob unterscheidet man hier zwischen statischen und dynamischen Widerständen. Letztere werden auch Potentiometer genannt. 7 8 http://de.wikipedia.org/wiki/Elektronenr%C3%B6hre Kapitel Pentode http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:Condensators.JPG 8 3.3.1 - Statischer Widerstand Der Aufbau eines statischen Widerstandes ist sehr einfach. In ihm befindet sich ein Material, welches elektrischen Strom mehr oder weniger gut leitet, je nach gewünschtem Widerstandswert. So finden als Materialien z.B. Metalloxide und Kohle Verwendung. Weitere wichtige Unterschiede der Materialien sind die Thermo- und Toleranzeigenschaften. So sind z.B. Kohleschichtwiderstände sehr ungenau mit einem Toleranzwert von bis zu 10%.9 Gute Metalloxidwiderstände hingegen können mit Toleranzen unter 2% gefertigt werden. Der Toleranzwert ist die maximale Abweichung des tatsächlichen Wertes vom Nennwert. Der elektrische Widerstand wird in Ohm angegeben. Steht z.B. auf einem Widerstand die Nennleistung von 1 Megaohm mit 10% Toleranz, bedeutet das, dass der tatsächliche Widerstand zwischen 900 Kiloohm und 1,1 Megaohm liegen kann. Mit einem Multimessgerät kann man sehr einfach den Widerstände unterschiedlicher Bauart. 10 tatsächlichen Widerstand ermitteln und nur solche in eine Schaltung einbauen, die dem Nennwert sehr nahe kommen. Wie viel Einfluss der Toleranzwert auf den tatsächlichen Klang hat, wird in Kapitel 3.7.1.2 erklärt. 3.3.2 - Potentiometer Im Gegensatz zu einem statischen Widerstand, ist der elektrische Widerstand in einem Potentiometer variabel. Jeder hat schon mal ein Potentiometer verwendet, auch wenn der Name zunächst fremd erscheint. Jedes Mal, wenn man z.B. den Lautstärkeregler an seiner Musikanlage dreht, benutzt man solch ein Potentiometer. Zusätzlich zum variablen Widerstand arbeitet ein Potentiometer immer als Spannungsteiler. Wie auf Vereinfachte Schaltung eines Spannungsteilers. Die Ausgangsspannung liegt am grünen, die Eingangsspannung am roten Stromkreis dem Schaltbild zu sehen ist, besitzt ein Poti drei Kontakte. Im Inneren des Potentiometers befinden sich zwei Widerstände, die sich durch Drehen des Reglers verändern lassen. Um zu berechnen, wie sich die Ausgangsspannung zur Eingangsspannung verhält, betrachtet man die Widerstände auf den Wegen, die den Stromkreis für die jeweilige 9 http://de.wikipedia.org/wiki/Widerstand_%28Bauelement%29 Kapitel Bauformen http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:Widerst%C3%A4nde.JPG 10 9 Spannung schließen. Für Ue sind es R1 und R2. Für Ua ist es R2, so dass sich ein Verhältnis von Ua/Ue=R2/(R1+R2) ergibt. Diese Formel lässt sich nach Ua=R2*Ue/(R1+R2) umstellen, um zu errechnen, wie hoch die Ausgangsspannung ist. Geht man davon aus, dass das Potentiometer auf einer Stellung steht, bei der beide Widerstände den gleichen Betrag haben, z.B. R1=500Ω und R2=500Ω sowie Ue=200V. Setzt man die Werte in die Formel ein, erhält man Ua=500Ω*200V/1000Ω. Daraus errechnet sich Ua=100V. Diese Formel wird allgemein auch als Spannungsteilerformel bezeichnet.11 Das Potentiometer: Die Kohleschicht (1) auf dem Gehäuse (2) wird als elektrischer Widerstand verwendet. Die Eingangsspannung wird an die Kontakte (5,9) angelegt. Mit dem über die Achse (4) regelbaren Abgriff (3) wird die Spannung über den dritten Kontakt (6) geteilt.12 3.4 - Drosseln Ein in modernen Schaltungen eher nebensächliches Bauteil ist die Drossel. Da ich hier aber den Schwerpunkt auf ältere Technik lege, ist sie nicht ganz unerheblich. Eine Drossel ist eine einfache Spule, die mittels Induktivität Wechselstromanteile aus dem gleichgerichteten Strom filtert, denn Wechselstrom führt zu einem Brummen innerhalb des Schaltkreises13, da die ungewollten Wechselstromanteile trotzdem vom Lautsprecher wiedergegeben werden. Zur Verstärkung der Induktivität wird in einer Spule als Kern oftmals noch ein ferromagnetisches Material eingesetzt, wie z.B. Eisen. Induktivität wird in Henry gemessen und liegt bei einer Spule in einer Röhrenverstärkerschaltung zwischen 10 und 20 H. 11 http://de.wikipedia.org/wiki/Potentiometer; http://de.wikipedia.org/wiki/Spannungsteiler 12 http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:Reochord.jpg 13 http://de.wikipedia.org/wiki/Drossel_%28Elektrotechnik%29 10 3.5 - Transformatoren Wie in 3.1 erwähnt, arbeiten Elektronenröhren mit Spannungen weit über 300V, da stellt sich die Frage, wie man diese Spannung erreicht, wenn aus der Steckdose nur 230V kommen. Hier kann man Abhilfe mittels eines Transformators schaffen. Ein Transformator besteht aus zwei Spulen, die beide auf dem gleichen Eisenkern sitzen. Die Spule, an welche die Steckdosenspannung angelegt wird, heißt Primärspule. Die zweite, an der man die transformierte Spannung abnimmt, wird Sekundärspule genannt. Über die in der ersten Spule erzeugte Induktion wird die elektrische Energie auf die zweite Spule übertragen. Die Spannung auf der Sekundärseite hängt vom Verhältnis der Spulenwicklung ab und kann mit der Formel Up/Us=np/ns berechnet werden. Hat die Primärspule 500 Wicklungen und die Sekundärspule 1000, bei einer Steckdosenspannung von 230V, steht in der Formel 230V/Us=500/1000. Die Formel kann man nach Us umstellen und erhält Us=230V*1000/500=460V. So kann man für jede gewünschte Spannung das Windungsverhältnis ausrechnen und den entsprechenden Transformator wickeln. Diese Berechnung gilt allerdings nur, wenn man die entstehenden Verlustleistungen unberücksichtigt. Bei realen Berechnungen sind die Verlustleistungen von bis zu 10% nicht unerheblich. Auf den ersten Blick sieht ein Transformator nach den Formeln so aus, als hätte man ein Perpetuum Mobile geschaffen, da die Spannung mit zunehmender Windungszahl auf der Sekundärseite immer größer wird. Hierzu muss aber gesagt werden, dass die elektrische Leistung gleich bleibt, da für die Stromstärke I genau das Gegenteil wie für die Spannung U gilt. Wird U größer, wird I um das gleiche Verhältnis kleiner. Eine weitere Eigenschaft, welche in Kapitel 4.3 wichtig wird, ist das Spannungsverhältnis zwischen Leerlaufbetrieb und maximaler Leistungsabnahme. Die Betriebsspannung kann am Transformator im extremsten Fall bei Leerlauf doppelt so hoch als bei entsprechender Leistungsabnahme sein. 3.6 - Ausgangsübertrager Die Funktionsweise des Ausgangsübertragers ist der des Transformators gleich, allerdings findet er eine andere Verwendung. Im Gegensatz zum Transformator befindet sich der Ausgangsübertrager in einem Verstärker hinter den Endstufenröhren. Da Lautsprecher für Röhrenverstärker mit einer Spannung von 100V arbeiten, die Röhren jedoch mit bis zu 400V betrieben werden, muss diese Spannung erst wieder herunter transformiert werden. Ein weiterer Wert, der bei Ausgangsübertragern jedoch beachtet werden muss, ist die Impedanz, auch Wechselstromwiderstand genannt. Die Impedanz beschreibt das Verhältnis U/I. Wichtig ist, dass die Impedanz des Übertragers gleich der der Lautsprecher ist. So kann man an einen Verstärker mit acht Ohm Impedanz auch nur Lautsprecher mit acht Ohm Impedanz anschließen. 11 3.7 - Schaltungsbeispiele und -prinzipien Nachdem die einzelnen Bauteile nun erklärt sind und auf ihre Funktion eingegangen wurde, ist es wichtig zu verstehen, wie und warum sie an bestimmten Stellen in eine Schaltung eingebaut werden. Grundsätzlich kann man eine komplette Verstärkerschaltung in drei Bereiche einteilen und sie einzeln betrachten. Zum ersten die Vorstufe, die für die Vorverstärkung und Filterung des Eingangssignals zuständig ist. Zweitens die Endstufe, in der das Signal sehr hoch verstärkt wird, um schließlich eine entsprechende Ausgangsleistung zu erreichen. Drittens das Netzteil im Verbund mit der Heizschaltung für die Elektronenröhren. 3.7.1 - Vorstufe Von den drei Bereichen eines Verstärkers, ist die Vorstufe für den späteren Klang am wichtigsten. Durch das spezifische Zerrverhalten der Vorstufenröhren sowie durch unterschiedliche Filterschaltungen bekommt jeder Verstärker seinen eigenen charakteristischen Klang und hat nicht selten den Sound einer ganzen Verstärkerfirma wie Marshall geprägt. Neben der Soundgestaltung hat die Vorstufe die Aufgabe, das Signal so weit zu verstärken, dass es in der Endstufe weiter verarbeitet werden kann. Der erste Schritt zu einem charakteristischen Klang findet in der ersten Vorstufenröhre statt. In diesen Beispielen ist dies die Doppeltriode ECC83. Als anschauliches Beispiel nehme ich hier die Eingangsstufe des Marshall JTM45. Die beiden Trioden einer Röhre werden hier getrennt für jeden der zwei Eingangskanäle betrachtet. Eingangsstufe des JTM45 mit getrennter Darstellung der Doppeltriode ECC8314 14 Auszug aus JTM45 Schaltplan 12 3.7.1.1 - Verstärkungsfaktor Wird an einem der zwei Kanäle (s. Abbildung S.12) eine Spannung angelegt, arbeiten die Widerstände vor dem Gitter der Röhre als Spannungsteiler, so dass niemals die volle Spannung das Gitter erreicht. So wird verhindert, dass die Röhre zu stark übersteuert, oder gar überlastet wird. In der Röhre wird das Signal über den Stromweg von Kathode nach Anode verstärkt. Um das Verhalten einer Röhrenvorstufe zu erklären, muss man drei wichtige Eigenschaften beachten, die jede Elektronenröhre mit sich bringt: den Durchgriff D, die Steilheit S sowie den Innenwiderstand Ri. Mit dem Durchgriff wird das Verhältnis von der Gitterspannung Ug zu Anodenspannung Ua beschrieben, um einen Alle Formeln, um das Verhalten einer Röhre zu definieren konstanten Anodenstrom Ia zu erhalten, und hat die Formel D=-∆Ug/∆Ua für Ia=const. Je höher der Durchgriff, desto höher muss Ug sein, um den gleichen Anodenstrom zu bekommen.15 Die Steilheit wird mit der Formel S=∆Ia/∆Ug für Ua=konstant ausgedrückt. Wenn man die Gitterspannung ändert, wird auch der Anodenstrom verändert. Eine Röhre ist umso steiler, je kleiner eine Gitterspannungsänderung sein kann, die noch eine Anodenstromänderung hervorruft.16 Der Innenwiderstand beschreibt das Verhältnis von Anodenspannung zu Anodenstrom bei konstanter Gitterspannung und wird mit der Formel Ri= ∆Ua/∆Ia für Ug=konstant beschrieben. Diese drei Werte lassen sich mit der so genannten Barkhausengleichung zu D*S*Ri=1 zusammenfassen. In Röhrendatentabellen steht anstatt des Durchgriffs oft der Leerlaufverstärkungsfaktor µ=1/D.17 Das Ziel ist nun, mit diesen drei Werten die Verstärkung einer Röhrenvorstufe auszurechnen. Die Verstärkung ist zusätzlich abhängig vom eingesetzten Anodenwiderstand und der daraus resultierenden dynamischen Steilheit der Röhre. Beim Beispiel oben ist der Anodenwiderstand Ra=100kΩ. 15 Haas S.13-14 Ebd. S.14-15 17 Ebd. S.15 16 13 Die dynamische Steilheit Sd berechnet sich nach Sd=S*Ri/(Ri+Ra). Aus Datentabellen kann man entnehmen, dass eine ECC83 folgende Werte hat: S=1,6mA/V, Ri=62,5kΩ undµ=100. Das macht für diese Röhre und den Anodenwiderstand Ra=100kΩ nach der Formel Sd=1,6mA/V*62,5kΩ/(62,5kΩ+100kΩ)=0,615mA/V. Die Verstärkung berechnet sich dann aus der Formel V=Sd*Ra, sodass wir mit V=0,615mA/V*100kΩ zu einem Ergebnis von V=61,5 kommen. Das Eingangssignal wird um den Faktor 61,5 verstärkt.18 Der Durchgriff einer Elektronenröhre. Je höher dieser ist, desto größer muss die negative Gitterspannung sein, um Ia=0 werden zu lassen19 Die Steilheit beschreibt, wie klein die Gitterspannungsänderung sein kann, welche noch eine Änderung von Ia hervorruft.20 3.7.1.2 - Klirrverhalten Der Ton a’ hat eine Frequenz von genau 440Hz. Hören wir diesen Ton aus einem Sinustongenerator, klingt er schrecklich, beinahe unerträglich. Das liegt daran, dass jedes Instrument und auch die menschliche Stimme einem Ton so genannte Obertöne beimischt, so dass er harmonischer und angenehmer klingt. Harmonische Obertöne sind ganzzahlige Vielfache vom Grundton, also in unserem Beispiel 880Hz, 1320Hz usw. Auch in einem Verstärker werden dem Eingangssignal unvermeidbar immer Obertöne zugemischt. Bei HiFi-Verstärkern sind sie eher unerwünscht, da man das Signal in seiner Reinheit wiedergeben will. Anders bei Gitarrenverstärkern, dort tragen sie einen maßgeblichen Anteil zur Soundentstehung bei. Aus einer Messreihe (Anhang Messreihe1) kann man entnehmen, dass die Anteile von verschiedenen Obertönen je nach Röhrentyp stark schwanken. Dies hat einen erheblichen Einfluss auf den Klang, da 18 Haas S.16-17 Ebd.14 20 Ebd. S.15 19 14 jeder weitere Oberton eine disharmonischere Beziehung zum Grundton hat. Der erste Oberton entspricht einer Oktave, der zweite einer Quinte, der dritte einer Quarte und der vierte einer Terz.21 Das heißt, dass bei einem Verstärker für den HiFi-Bereich eher Röhren eingesetzt werden, bei denen die ersten Obertöne dominieren, um ein möglichst harmonisches Klangbild zu erhalten. Wird allerdings ein Gitarrenverstärker gebaut, der auf Metalsounds und harte Gitarrenklänge ausgelegt werden soll, hat es durchaus seinen Reiz, wenn Röhrentypen verwendet werden, bei denen die disharmonischen Obertöne stärker als die harmonischen ausgeprägt sind. Das Gesamtklirrverhalten ist das, was man bei E-Gitarren als Verzerrung wahrnimmt. Je mehr Obertöne, desto mehr Verzerrung. Um eine hohe Verzerrung zu erhalten, werden die Röhren bewusst übersteuert, sprich über ihren eigentlichen Leistungspunkt hinaus betrieben. Das Problem, welches hier bei sehr alten Röhrenverstärkern (auch am Beispiel des JTM45) auftrat, ist die Tatsache, dass diese Verstärker noch keinen Mastervolumeregler hatten, mit der die Leistung in der Vorstufe geregelt werden konnte. Die Verzerrung trat somit nur in der Endstufe auf, weshalb man für einen hohen Verzerrungsgrad den Verstärker bis zum Anschlag aufdrehen musste und teilweise unerträglichen Lautstärken ausgesetzt war. 3.7.1.3 - Filter Nachdem nun mit dem Klirrverhalten der erste maßgebliche Faktor für die Klangeigenschaften eines Verstärkers festgelegt ist, beschreibt dieses Kapitel die Auswirkung so genannter Filterschaltungen. Mit einem Filter kann man einstellen, welche Frequenzen mehr und welche weniger verstärkt werden sollen. Äußerlich findet man den Filter an einem Verstärker meistens in Form von drei Reglern: „Bass“, „Mitten“ und „Höhen“, um je nach Stellung dieser Regler den Klang zu beeinflussen. Bevor aber eher komplizierte Rechnungen mit diesen Reglern besprochen werden, soll erstmal die einfache Funktion erklärt werden. Grundsätzlich unterscheidet man zwischen Tiefpass-, Hochpass- und Bandpassfiltern. Tiefpassfilter lassen tiefe Frequenzen passieren und filtern hohe aus. Im Gegensatz dazu steht der Hochpassfilter, welcher hohe Frequenzen durchlässt, aber tiefe herausfiltert. Ein Bandpassfilter dämpft alle Frequenzen zwischen zwei festgelegten Grenzfrequenzen. Im Allgemeinen unterscheidet man zusätzlich zwischen passiven und aktiven Filterschaltungen. Aktive Filter benötigen eine externe Spannungszufuhr und kommen in Akustikverstärkern eher selten bis gar nicht vor, deswegen befasst sich dieses Kapitel ausschließlich mit passiven Filtern. Als einfaches Beispiel nehme ich hier zwei RC-Glieder, also eine Anordnung aus einem Kondensator(C) und einem Widerstand(R). Mit diesen zwei Bauteilen kann man sowohl einen Tiefpass- als auch einen Hochpassfilter aufbauen. 21 Haas S.17-20 15 Bevor man nun den Tiefpassfilter betrachtet, muss man sich über den frequenzabhängigen Widerstand Xc eines Kondensators im Klaren sein. Dieser berechnet sich nach der Formel Xc=1/2*π*f*C. Dieser Widerstand wird auch Blindwiderstand genannt, da die elektrische Energie nicht in Wärme umgewandelt wird. Der ohmsche Widerstand R und der Blindwiderstand des Kondensators Xc bilden einen Spannungsteiler (siehe Kapitel 3.3.2). Nach der Spannungsteilerformel kann man jetzt die frequenzabhängige Ausgangsspannung berechnen. Der Blindwiderstand des Kondensators wird mit zunehmender Frequenz geringer. Betrachtet man die Spannungsteilerformel, kann man sehen, dass der Bruch immer kleiner wird, weil der ohmsche Widerstand mit Abnehmen des Blindwiderstands mehr an Einfluss gewinnt. Für f -> ∞ gilt deshalb Ua=Ue*0 und für f -> 0 gilt Ua=Ue*1. Im Gegensatz dazu betrachtet man jetzt den Hochpassfilter. Hier wird wieder ein Spannungsteiler mit Xc und R gebildet, jedoch diesmal so, dass der Stromkreis der Ausgangsspannung Ua über Xc anstatt über R geschlossen wird. In diesem Fall ist es so, dass im Bruch der Formel der Einfacher RC-Tiefpassfilter Blindwiderstand mit zunehmender Frequenz an Gewichtung gewinnt, so dass der Bruch mit zunehmender Frequenz größer wird. Daraus ergibt sich für f -> ∞ Ua=Ue*1 und für f -> 0 Ua=Ue*0. Durch Kombination von verschiedenen Filtern kann man nun ein gesamtes Filtersystem zusammenschalten, um erwünschte Frequenzen durchzulassen und unerwünschte zu filtern. In einfachen Beispielen einer Filterschaltung für Verstärker werden die in meinem Berechnungsbeispiel statischen Widerstände durch Potentiometer ersetzt, sodass der Widerstand regelbar wird. Durch Stellung des Potentiometers kann dann die Stärke der Frequenzfilterung reguliert werden. Einfacher RC-Hochpassfilter 16 3.7.2 - Endstufe In der Endstufe wird das von der Vorstufe verstärkte Signal so weit verarbeitet, dass genug Leistung entsteht, die im Lautsprecher als Ton wiedergegeben werden kann. Eine Röhrenendstufe wird meistens mit leistungsstarken Pentoden betrieben, die einen im Vergleich zur Triode viel höheren Verstärkungsfaktor haben. Die häufigste Beschaltung einer Audioendstufe ist die so genannte ABGegenkopplungsschaltung, die einen Kompromiss aus dem A sowie dem B-Betrieb darstellt. A-Betrieb bedeutet, die Röhren werden so geschaltet, dass ein konstant hoher Ruhestrom durch die Röhren fließt. Dies hat den Vorteil, dass das Signal unverzerrt wiedergegeben wird, allerdings mit dem Nachteil, dass durch den durchgehend hohen Stromfluss - auch bei Leerlauf - enorme Hitze entsteht sowie ein hoher ungenutzter Stromverbrauch bei einem Wirkungsgrad von unter 40%. Der B-Betrieb hingegen hat einen hohen Wirkungsgrad von bis zu 70% und muss mit mindestens zwei Röhren betrieben werden. Die Haupteigenschaft dieses Betriebs ist jedoch die Ruhestromsenkung im Leerlaufbetrieb, was einen geringen Stromverbrauch ermöglicht. Der Nachteil ist hier die Tatsache, dass unbrauchbare Übernahmeverzerrungen an den Wendepunkten der Signalkurve entstehen. Diese Verzerrungen entstehen, weil beim Übergang in die nächste Signalhalbwelle die Röhren kurzzeitig keinen Strom führen. Um die Probleme beider Betriebsmethoden zu umgehen, benutzt man eine AB-Gegenkopplungsschaltung(Abbildungen S.18). Bei dieser Schaltung wird das Signal vor der Verstärkung in den Endstufenröhren wie beim B-Betrieb in einer so genannten Treiberstufe in positive und negative Halbwellen zerlegt. Die erste Endstufenröhre verarbeitet dann nur die positiven Halbwellen und die zweite die negativen. Damit keine Übernahmeverzerrungen entstehen, wird der Ruhestrom bei Leerlauf nicht auf Null gesenkt, sondern so hoch eingestellt, dass die Verzerrungen minimiert werden. Mit diesen Kompromiss kann man annähernd den Wirkungsgrad der B-Schaltung erzielen sowie eine fast unverzerrte Signalkurve wie in der A-Schaltung.22 22 Haas S.37-38 17 Simple Darstellung einer AB-Gegentaktstufe. Die linke Röhre verarbeitet die positive, die rechte die negative Halbwelle des Signals. Der Übertrager gibt das Signal an die Lautsprecher weiter.23 Oben: Das unverzerrte Eingangssignal. Unten: Die Übernahmeverzerrungen aus dem B-Betrieb24 3.7.3 - Netzteil/Heizung Netzteil des JTM45: Auf der Primärseite (rechts) des Transformators sind die erste Sicherung sowie der Hauptschalter eingezeichnet. Optional kann eine kleine Lampe zur Funktionsüberwachung eingesetzt werden. Auf der Sekundärseite (links) befinden sich die verschiedenen Trafoabgriffe für Heizung und Hochspannung Vor die Anoden der Gleichrichterröhre können noch zusätzliche Widerstände geschaltet werden.25 23 24 Haas S.38 Ebd. S.37 18 Nachdem die Teile des Verstärkers erklärt sind, welche das Eingangssignal führen und für den größten Teil der Tonerzeugung zuständig sind, befasst sich dieses Kapitel mit dem Netzteil eines Röhrenverstärkers sowie der zugehörigen Heizung für die Elektronenröhren. Das Netzteil hat die Aufgabe, den nötigen Strom für die Schaltung zu liefern. Da eine Röhrenschaltung Gleichstrom benötigt, wird im Netzteil der vom Stromnetz eingespeiste Strom gleichgerichtet. Dies geschieht meistens entweder mit Siliziumgleichrichtern oder Röhrengleichrichtern. Beide Varianten haben Vor- und Nachteile, wobei die heute gebräuchlichere Methode der Siliziumgleichrichter ist. Allerdings hat selbst die Gleichrichterschaltung Einfluss auf den Klang eines Verstärkers (s. Kapitel 4.3). Die Spannung, welche an der Primärseite anliegt, wird über den Transformator umgespannt. Ein Trafo in einer Röhrenschaltung hat, wie auf der Abbildung zu sehen ist, auf der Sekundärseite mehrere Abgriffe, damit mehrere Spannungen gleichzeitig von einem Trafo abgenommen werden können. Am oberen liegt die Hauptspannung, die in den Signalstromkreis eingespeist wird. Darunter befindet sich der Abgriff für die Heizung der Gleichrichterröhre. Die Röhre bekommt aus Sicherheitsgründen eine eigene Heizwicklung, weil von der Kathode bei 550V eine erhebliche Gefahr von Spannungsüberschlägen zwischen Heizfaden und Kathode ausgeht.26 Hinzu kommt, dass die Anoden der Gleichrichterröhre einen Mindestwiderstand benötigen. Dieser ist meistens durch den trafoeigenen Widerstand gegeben, muss aber manchmal durch zusätzliche Widerstände vergrößert werden. Ansonsten könnten die Spannungsspitzen, die beim Einschalten des Verstärkers entstehen, die Röhre überlasten und zerstören. Der untere Abgriff auf der Sekundärseite des Trafos ist für die Heizung der Elektronenröhren in Vorund Endstufe. Röhren können sowohl mit Wechselstrom als auch mit Gleichstrom beheizt werden. Der Vorteil einer Wechselstromheizung besteht darin, dass sie mit sehr wenig Aufwand betrieben werden kann, wie auch in der Abbildung zu sehen ist. Dort werden die Heizfäden direkt mit der entsprechenden Trafowicklung verbunden. Allerdings entsteht bei einer Wechselstromheizung zwangsläufig ein Brummen in den Röhren, da die Leitungen zwischen den Röhren sowie die Heizfäden durch den Wechselstrom ein Magnetfeld erzeugen, welches die Elektronen in den Röhren auf die 50 Hz des Stromnetzes zum Schwingen anregt. Mit einer Gleichstromheizung kann man dieses Problem umgehen, allerdings ist sie weitaus aufwändiger, da sie eine eigene Gleichrichterschaltung benötigt. Dafür ist sie absolut brummfrei aber auch teurer.27 25 Auszug aus JTM45 Schaltplan Haas S.34 27 Ebd. S.104 26 19 4 - Vergleich von Elektronenröhren mit Transistoren In diesem Kapitel soll darauf eingegangen werden, welche Unterschiede es zwischen Elektronenröhren und Transistoren gibt, ohne auf deren genaue Funktion einzugehen. Wichtig ist, warum die Elektronenröhre heute für viele Anwendungsbereiche nicht mehr interessant ist und weshalb der Transistor es schaffte, sie im Laufe der Zeit fast komplett abzulösen. 4.1 - Betriebsumfeld Sehr große Unterschiede zwischen Elektronenröhren und Transistoren liegen im Betriebsumfeld. Ein großes Problem, dass die Röhre mit sich bringt, ist die benötigte Spannung. Da normale Röhrenbauweisen Spannungen von 250 – 550V benötigen, sind für jede Schaltung, die mit ihnen gebaut werden soll, große Transformatoren nötig. Im Gegensatz dazu steht der Transistor, der schon bei Spannungen von z.B. 7V funktioniert und somit auch für den Batteriebetrieb geeignet ist. Weiter benötigen Röhren eine sehr hohe Kathodentemperatur, um überhaupt arbeiten zu können. Dabei entstehen am Glaskolben der Röhre Temperaturen bis zu 200 Grad Celsius. Zusätzlich muss man ein bis zwei Minuten warten, bis das Gerät betriebsbereit ist. Ein Transistor kann unter Raumtemperatur arbeiten, allerdings muss er bei starker Belastung gekühlt werden. Allein schon bei Betrachtung dieser beiden Faktoren des Betriebes sieht man deutlich, wie der Transistor der Röhre hier überlegen ist. Deshalb ist es kein Wunder, dass bei der Einführung des Transistors viele Bereiche von ihm übernommen wurden, wie z.B. portabler Militärfunk und Radios. Hier spielt vor allem die geringe Betriebsspannung eine Rolle, denn Röhren können nicht mit handelsüblichen Batterien betrieben werden. Hinzu kommt, dass die Röhre durch ihre Bauart viel anfälliger für äußere Einwirkungen ist. Alle Bauteile, die ein Magnetfeld erzeugen, sollten in der Nähe einer Elektronenröhre möglichst abgeschirmt werden, da die Elektronen innerhalb der Röhre durch die so genannte Lorentzkraft sehr anfällig auf diese Magnetfelder reagieren. Des Weiteren löst sogar schon ein Klopfen gegen den Glaskolben ein Geräusch innerhalb eines mit Röhre betriebenen Verstärkers aus. Dies ist auch der Grund für starke Rückkopplungen, die entstehen, wenn der Lautsprecher, auf dem der Verstärker steht, zu stark vibriert. Die Rückkopplungen entstehen durch einen Kreislauf, welcher beginnt, wenn die Lautsprecher brummen. Das Brummen wird von der Röhre aufgenommen, verarbeitet und verstärkt an den Lautsprecher gesendet. Die logische Folge ist, dass das Signal aus dem Lautsprecher wiederum verstärkt wird und noch stärker die Röhren beeinflusst. Dies passiert solange, bis nur noch ein grelles Fiepen aus dem Lautsprecher kommt. Ist hingegen gar kein Lautsprecher angeschlossen, kann dies bei einem Röhrenverstärker zur Zerstörung führen. 20 Der Grund hierfür liegt an Spannungsüberschlägen. Diese treten auf, wenn durch die nicht abgenommene Leistung am Netzteil die Betriebsspannung stark ansteigt. Hinzu kommt die Spannungsspitze, die beim Abbau des Magnetfeldes einer Halbwelle im Ausgangsübertrager entsteht. 4.2 - Verzerrung/Klirrverhalten Bei der Frage, warum viele Gitarristen für Röhrenverstärker Unmengen an Geld ausgeben, ist der wichtigste Punkt das sehr unterschiedliche Verzerrverhalten, wie es in Kapitel 3.7.1.2 schon angedeutet wurde. Eine Röhre erzeugt als Obertöne immer ganzzahlige Vielfache des Grundtons. Es können zwar je nach Wahl des Röhrentyps mehr Anteile der disharmonischen Töne enthalten sein, wie etwa Sekunden, allerdings sind diese Obertöne immer noch harmonisch im Vergleich zu den Erzeugten Verzerrungen von Transistoren. Diese entsprechen nämlich nicht der Obertonreihe, weil sie eben keine ganzzahligen Vielfachen des Grundtons sind. Diese Verzerrungen klingen weitaus unangenehmer als die der Röhren und machen den erzeugten Klang unattraktiv. Bei der Entwicklung von neuen Transistorverstärkern versucht man mit immer komplexer ausgelegten Klirrverhalten im Verhältnis zur Leistung.28 Schaltungen dieses Problem auszugleichen. Mittlerweile gelingt dies ganz gut, allerdings war früher genau dieses Problem ausschlaggebend dafür, wieso der Transistorverstärker bei Musikern zu Beginn seiner Entwicklung so wenig Anklang gefunden hat. In der obigen Abbildung sieht man die Grafen, die den Klirrfaktor in Abhängigkeit zur Leistung beschreiben. Die Röhre erzeugt mit zunehmender Leistung gleichmäßig immer mehr Klirranteile. Im Gegensatz Das Verzerrverhalten einer Elektronenröhre mit abgerundeten Amplituden29 dazu steht der Transistor, welcher bis zu einem bestimmten Punkt einen sehr niedrigen Klirrfaktor hat. Nach Überschreiten der Sättigungsgrenze steigt der Klirrfaktor jedoch schlagartig an, was meistens in unangenehmen Erscheinungen wie Clipping endet. Beispielsweise durch das starke Anschlagen einer Gitarrensaite. Das Verzerrverhalten eines Transistors mit abgeschnittenen Signalspitzen(Clipping)30 28 Haas S.26 Ebd. S.26 30 Ebd. S.27 29 21 Die beiden unteren Abbildungen zeigen die Signalkurven eines übersteuerten Röhrenverstärkers sowie eines übersteuerten Transistorverstärkers. Eine Verzerrung kommt in der Signalkurve in Form von abgeschnitten Spitzen der Sinuskurve zum Ausdruck. Je runder die Signalspitzen noch sind, desto „wärmer“ klingt das Ausgangssignal. Hier wird grafisch noch mal belegt, warum ein Röhrenverstärker bei Übersteuerung als angenehmer empfunden wird als ein Transistorverstärker. Der Klirrfaktor hat allerdings nicht nur Auswirkungen auf den Klang, sondern auch auf die Lautstärke eines Verstärkers. Durch die hohe Anzahl an Obertönen empfindet man bei gleicher Leistung Röhrenverstärker ungefähr doppelt so laut als Transistorverstärker. 4.3 - Eingangsempfindlichkeit/Kompression Zwei weitere Verstärkereigenschaften, die für viele Gitarristen eine große Rolle spielen, sind das Sustain und die Eingangsempfindlichkeit. Das Sustain ist die Zeit, wie lange der Ton im Verstärker anhält. Je länger, desto besser. Unter Eingangsempfindlichkeit versteht man, wie gut der Verstärker auf das unterschiedlich starke Anschlagen der Gitarrensaite reagiert. Eine hohe Eingangsempfindlichkeit ist gegeben, wenn man einen deutlichen Lautstärkeunterschied beim lockeren und festen Anschlagen der Gitarrensaite wahrnimmt. Röhrenverstärkern mit Röhrengleichrichtern sagt man nach, dass sie bei beiden Faktoren etwas besser dastehen, was ich auch durch eigenes Ausprobieren bestätigen kann. Um den Grund für das längere Sustain zu verstehen, ist eine umfangreiche Erklärung nötig. Zunächst betrachtet man die Stromaufnahme einer AB-Gegentaktendstufe (Kapitel 3.7.2). Als Beispiel wird eine Endstufe mit 45 W Leistung bei 375 V angenommen. Bei dieser Konfiguration beträgt der Ruhestrom der Endstufe ca. 80 mA, bei Vollaussteuerung jedoch 290 mA. Dies ergibt eine Differenz von 210 mA. Da in diesem Fall der Widerstand pro Gleichrichteranode(Kapitel 3.7.3) mindestens 50 Ω betragen muss, ist laut dem Ohmschen Gesetz der Spannungsunterschied gleich 10,5 V. Hinzu kommt der Spannungsunterschied im Trafo, welcher zwischen Leerlauf und Volllast entsteht(Kapitel 3.5). Diese Erkenntnisse haben zur Folge, dass beim Anschlag einer Gitarrensaite am Netzteil zunächst die Volllastspannung anliegt. Klingt die Saite ab, steigt durch die geringere Aussteuerung der Endstufe die Netzteilspannung an, und die an die Lautsprecher abgegebene Leistung sinkt nicht so rapide, was einen langen Ton zur folge hat. Dies wird auch Kompressionseffekt genannt.31 Siliziumgleichrichter haben zwar grundsätzlich nicht diesen Effekt, weil sie stoßstromfest sind und somit keine Widerstände benötigen. Allerdings kann man diesen Effekt mit einem leistungsstarken Widerstand nachbilden. Der Widerstand wird hinter dem Gleichrichter eingebaut und erzeugt je nach Leistungsabnahme der Endstufe die Spannungsunterschiede. 31 Haas S.34-35 22 Die unterschiedliche Eingangsempfindlichkeit von Röhren- und Transistorverstärkern hängt mit dem jeweiligen Verzerrverhalten zusammen. Wie in Kapitel 4.2 dargestellt, steigt bei der Röhre der Klirrfaktor in Leistungsabhängigkeit viel linearer an. Da der Transistor bei zu hohem Eingangssignal zu stark übersteuert, muss dieses Signal niedrig gehalten werden. Des Weiteren fällt der Klirrfaktor beim Abnehmen des Signals rapide, was beides zur Folge hat, dass der erzeugte Ton sehr dünn klingt. Die Röhre hingegen kann stärker belastet werden, und die Klirranteile fallen viel langsamer. Ergo klingt der Ton voll und laut.32 4.4 - Zusammenfassung/Fazit Zusammenfassend kann man sagen, dass der Transistor zwar betriebstechnisch, wie auch sicherheitstechnisch der Röhre weit überlegen ist, nicht zuletzt wegen der geringen Betriebsspannung. Jedoch ist zu beachten, dass die klanglichen Vorteile der Elektronenröhre immer noch deutlich zu erkennen sind und man es bis heute nicht geschafft hat, die Klangcharakteristiken der Transistoren an die der Röhren anzupassen. Der Transistorverstärker ist für Gitarristen also weiterhin nur günstige Durchschnittsware. Wenn es darauf ankommt wirklich guten Sound zu erzeugen, kommt man an einem guten Röhrenverstärker nicht vorbei. Allerdings nur mit dem nötigen Kleingeld. 5 - Messungen 32 Haas S.26 23 Damit die in den vorherigen genannten Kapiteln beschriebenen Funktionen nicht einfach als Theorie stehen bleiben, werden in diesem Kapitel Experimente beschrieben, welche das vorher Genannte belegen. Eins der Experimente habe ich selbst durchgeführt, das andere lässt sich für mich auf Grund von Unkenntnis hinsichtlich des Oszilloskops nicht durchführen. 5.1 - Experiment zur Filtermessung Materialien: - Sinustonfrequenzgenerator - Spannungsmesser - zwei Kabel - Kondensator - Widerstand - Platine Durchführung: Zunächst werden der Widerstand und der Kondensator nach dem jeweiligen Schaltbild auf die Platine gelötet. Diese bilden den Filter. Danach überlegt man sich die Frequenzen, welche man messen möchte. Die zu messende Frequenz stellt man dann am Tonfrequenzgenerator, wobei die Amplitude möglichst niedrig gehalten werden sollte, weil kein Der Aufbau eines einfachen Filters mit angelegter Spannung Lastwiderstand als Abnehmer angeschlossen ist. Ansonsten könnte es passieren, dass man sein Messgerät überlastet. Nun misst man die Spannung, die am Ausgang des Generators anliegt. Dies ist die Eingangsspannung für die vorher gelötete Filterschaltung. An die im Schaltplan gekennzeichneten Punkte legt man nun diese Spannung an und misst mit dem Messgerät die Ausgangsspannung. Beobachtung Tiefpassfilter: 24 Meine Beobachtungen beim Tiefpassfilter decken sich teilweise mit den Berechnungsergebnissen. Die Messwerte stimmen zwar nicht exakt, aber bewegen sich innerhalb der Bauteiltoleranzen. Zudem nehme an, dass der Tonfrequenzgenerator nicht die genaue Frequenz liefert, welche eingestellt wurde. Das Gerät ist schon sehr alt und besitzt nur einen analogen Frequenzregler, weswegen man die Werte nicht exakt einstellen kann. Aber dennoch ist eindeutig bewiesen, dass die Ausgangspannung bei einem Tiefpassfilter mit zunehmender Frequenz abnimmt. Bei dieser Messreihe betragen die Kapazität des eingesetzten Kondensators 0,047 µF und der elektrische Widerstand des verwendeten Widerstands 9970 Ω. Frequenz Eingangsspannung Gemessene Berechnete Ausgangsspannung Ausgangsspannung 50 Hz 0,281 V 0,276 V 0,246 V 500 Hz 0,267 V 0,147 V 0,111 V 1500 Hz 0,270 V 0,050 V 0,051 V 5000 Hz 0,290 V 0,018 V 0,009 V Beobachtung Hochpassfilter: Auch bei den Beobachtungen zum Hochpassfilter ist eindeutig bewiesen, dass niedrige Frequenzen stärker als hohe Frequenzen gefiltert werden. Allerdings gleichen sich auch hier die gemessene und berechnete Ausgangsspannung nicht, was allerdings auf die Menge an Fehlerquellen zurückzuführen ist. Die verwendeten Bauteile sind die gleichen wie bei der Messung des Tiefpassfilters. Frequenz Eingangsspannung Gemessene Berechnete Ausgangsspannung Ausgangsspannung 50 Hz 0,280 V 0,040 V 0,036 V 500 Hz 0,271 V 0,225 V 0,161 V 1500 Hz 0,270 V 0,263 V 0,220 V 5000 Hz 0,290 V 0,282 V 0,271 V 5.2 - Messung von Verzerrverhalten 25 Ein weiterer Versuch, den ich leider nicht selbst durchführen konnte, da mir sowohl die nötige Erfahrung mit dem Oszilloskop fehlt als auch eine Oszilloskopkamera zur Aufzeichnung der Ergebnisse, ist die Messung der Signalkurven von Verstärkern im übersteuerten Betrieb. Trotzdem soll hier kurz der theoretische Aufbau sowie die Durchführung solch eines Versuches beschrieben werden. Benötigte Materialien: - Oszilloskop - Oszilloskopkamera - Verstärker - Lastwiderstand - Mehrere Kabel - Sinustonfrequenzgenerator Durchführung: Als erstes sollte man an die Lautsprecherausgänge des Verstärkers den Lastwiderstand anschließen, damit die Endstufe nicht versehentlich ohne Abnehmer eingeschaltet wird. Das Oszilloskop wird parallel zum Lastwiderstand angeschlossen. Danach werden alle Klangsteller auf den rechten Anschlag gestellt, damit das Signal möglichst ungefiltert passieren kann. Anschließend wird der Generator an einen Eingangskanal des Verstärkers angeschlossen und eine Frequenz eingestellt. Es gibt nun drei verschiedene Dinge, die gemessen werden können. Erstens die Verzerrungen in der Vorstufe, wobei das Oszilloskop auch direkt hinter die letzte Vorstufenröhre geschaltet werden kann. Zweitens die Verzerrungen in der Endstufe, so dass das Eingangssignal möglichst niedrig gehalten wird, damit die Vorstufe nicht übersteuert, aber der Lautstärkeregler aufgedreht wird, damit die Endstufe in die Sättigung kommt. Drittens kann man noch das Gesamtverzerrverhalten messen, was beide oben genannten Verzerrtypen zusammenschließt. Da es jedoch nicht genügt, nur die Spannungsspitzen zu sehen, muss man hier zur Aufzeichnung der Ergebnisse eine Oszilloskopkamera verwenden, deren Aufzeichnung synchron mit der zeitlichen Messung gestartet werden muss. Als Ergebnis erhält man Bilder für den objektiven Vergleich der Signalkurven. 6 - Nachwort 26 Abschließend kann ich für mich sagen, dass mir die Arbeit an diesem Thema viel Spaß bereitet hat, allerdings auch sehr zeitaufwändig war. Das größte Problem war für mich hierbei, dass wir in der Schule bis jetzt weder in der Mittel-, noch in der Oberstufe über elektrische Grundprinzipien gesprochen hatten und ich mir dieses Wissen für diese Arbeit selbst aneignen musste. Weiterhin war es für mich schwierig, gute Literatur über dieses Thema zu finden, da die meisten Bücher so veraltet und umständlich geschrieben sind, dass sie für meine Zwecke unbrauchbar waren. Auch wenn es nicht einfach war, habe ich versucht, die teilweise sehr komplizierten elektrischen Vorgänge so darzustellen, dass sie relativ leicht zu verstehen sind und man sich ein Bild darüber machen kann, was in den verschiedenen Bauteilen sowie Schaltungen eines Verstärkers geschieht. Die Antwort auf die Frage, ob die alte Technik der Elektronenröhren heute noch interessant ist, kann ich eindeutig mit ja beantworten. Klanglich sind sie immer noch um einiges besser als vergleichbare Produkte aus der Transistor- und Digitaltechnik. Sowohl im Gitarrenverstärkersegment als auch im HiFi-Bereich, obwohl ich auf letzteren in dieser Arbeit nicht eingegangen bin. Der hohe Preis für Gitarrenverstärker mit Elektronenröhren ist in meinen Augen trotzdem nicht gerechtfertigt, da man hier das meiste Geld für Prestige und Markennamen bezahlt. Bei meiner Kalkulation für den Selbstbau eines Verstärkers berechnete ich für alle Bauteile einen Preis von ca. 700 €. Auch mit allen zusätzlichen Kosten für Firmen wie Marshall und Fender sind 1600 € für ein vergleichbares Produkt nicht angemessen. Anders sieht es im HiFi-Bereich aus, weil man dort versucht, den Klirrfaktor so niedrig wie möglich zu halten, was sich in hohen Preisen für die notwendigen Filter bemerkbar macht. 7.1 – Anhang Fachwortverzeichnis 27 Anode positiv geladene Elektrode. Anodenwiderstand Ein hinter die Anode geschalteter Widerstand, der Einfluss auf den Verstärkungsfaktor der Elektronenröhre hat. Braun’sche Röhre Eine in Fernsehgeräten verwendete Röhre, die Elektronen auf eine Leuchtschicht schießt um ein Bild zu erzeugen. Brummen (hier) ein Geräusch, das sowohl durch das Mitschwingen der Elektronen in Röhren durch umliegende Magnetfelder entsteht als auch durch Sekundärelektronen, die durch hohe Elektronengeschwindigkeiten aus der Anode geschlagen werden. Clipping Das Abschneiden der Spitzen einer Signalkurve. Starkes Clipping endet meistens in einem Rauschen. Dieelektrizitätskonstante Ein konstanter Faktor, der zur Kapazitätsberechnung eines Kondensators benötigt wird. Dielektrikum Ein beliebiges nicht leitendes Material, das zwischen die zwei Leiterplatten eines Kondensators eingesetzt wird um die Kapazität zu erhöhen. Digitaltechnik Im Gegensatz zur in diesen Schaltungen verwendeten Analogtechnik arbeitet die Digitaltechnik mit logischen Abfragen, die in der einfachsten Variante aus Strom und Nicht-Strom Impulsen bestehen. dynamisch Synonym für veränderbar. Elektrisches Feld Eine Eigenschaft des Raumes, die durch das Vorhandensein von elektrischen Ladungen entsteht. Innerhalb eines elektrischen Feldes entstehen so genannte Feldkräfte, die auf geladene Teilchen wie Elektronen in eine bestimmte Richtung wirken. Elektrode Ein Leiter an den eine Spannung angelegt wird, um eine bestimmte Wirkung auf andere Teilchen zu erzielen, wie z.B. das Anziehen von Elektronen. Elektronen Die negativ geladenen Teilchen eines Atoms. Ein Elektron besitzt immer die gleiche Ladung 1,602 * 10^-19 C. Innerhalb eines Stromkreises sind sie die Ursache des elektrischen Stromes durch Bewegung vom Minuszum Pluspol. Feldstärke Die Feldstärke beschreibt, wie groß die Kräfte sind, die auf eine Ladung innerhalb eines elektrischen Feldes wirken. ferromagnetisch Materialien, die durch die innere Ordnung der Elementarmagnete magnetisch werden, bezeichnet man als ferromagnetisch. Frequenz Anzahl der Schwingungen pro Sekunde. Bei Wechselspannung die 28 Anzahl der Polaritätsänderung pro Sekunde. Gleichspannung Eine kontinuierliche Spannung, bei der die Kontakte nicht ihre polarität ändern und ein Stromfluss immer in die gleiche Richtung gegeben ist. Induktion Ein Phänomen, das über ein Magnetfeld eine elektrische Spannung innerhalb eines Leiters erzeugt. Influenz Ladungsverschiebung innerhalb eines Leiters, die über ein elektrisches Feld hervorgerufen wird. Ionen Atome, bei denen die Anzahl der Protonen nicht mit der Anzahl der Elektronen übereinstimmt. Ionen können sowohl negativ als auch positiv geladen sein. Kathode negativ geladene Elektrode. Lichtquanten Auch Photonen genannt. Die Teilchen, welche als elektromagnetische Wellen dargestellt werden, wie in diesem Fall Licht.33 Lorentzkraft Eine Kraft, die innerhalb eines Magnetfeldes auf einen Ladungsträger ausgeübt wird. Molekularanziehung Die Anziehung von Elektronen und Protonen innerhalb eines Atoms. Obertonreihe Die Obertöne über einem Grundton lassen sich in einer logarithmischen Reihe darstellen, welche Obertonreihe genannt wird. Ohmsches Gesetz Das ohmsche Gesetz beschreibt die Spannung in Abhängigkeit zum elektrischen Widerstand sowie der Stromstärke mit der Formel U=R*I. Oktave Die Oktave eines Tons hat genau die doppelte Frequenz des Grundtons. Operatoren So genannte integrierte Chips, die es sowohl in analoger als auch digitaler Ausführung gibt. Oszilloskop Ein Messgerät zur Spannungsmessung über eine Zeitachse Permittivitätszahl Ein von dem verwendeten Dielektrikum abhängiger Faktor, der zur Kapazitätsberechnung eines Kondensators benötigt wird. Perpetuum Mobile Eine physikalisch nicht mögliche Konstruktion, welche einmal in Gang gesetzt ohne Energieverlust immer weiter arbeitet. Polarität Positive und negative Ladung; Ladungstrennung. Quarte Die Quarte steht im Frequenzverhältnis 3:4 mit dem Grundton.34 Quinte Die Quinte steht im Frequenzverhältnis 2:3 mit dem Grundton.35 Sättigungsgrenze Die Grenze in einem Bauteil, die den optimalen Arbeitspunkt festlegt. Sekundärelektronen Elektronen, die nicht für die Funktion der Elektronenröhre relevant sind. Sie entstehen ungewollt. 33 http://de.wikipedia.org/wiki/Lichtquant http://de.wikipedia.org/wiki/Quarte 35 http://de.wikipedia.org/wiki/Quinte 34 29 Sinuswellen Eine Kurve, die sich durch die Sinusfunktion darstellen lässt. Spannungsüberschlag Ein Elektronenstrom bzw. Funke zwischen zwei Leitern durch Luft oder ein anderes nicht leitendes Material. statisch nicht veränderbar. Terz Die (große) Terz steht in einem Frequenzverhältnis von 5:6 zum Grundton. Tonsignal Ein Signal, dass sich im Frequenzspektrum des menschlichen Ohres befindet. Ca. 20 – 16000 Hz. Transistor Ein aktives Halbleiterbauelement, das zur Verstärkung von elektrischen Signalen eingesetzt wird. Treiberstufe Eine Schaltung in einem Verstärker, welche die Signalkurve des Eingangssignals in positive und negative Halbwellen zerlegt. Übersteuern Der Betrieb eines elektrischen Bauteils über seinen Arbeitspunkt hinaus. Vakuum luftleerer Raum. Wechselstrom Strom der seine Richtung mit einer bestimmten Frequenz ändert. Wirkungsgrad Der Wirkungsgrad sagt aus, wie viel der benötigten Energie für den eigentlichen Zweck umgesetzt wird. Umso höher der Wirkungsgrad eines Bauteils, desto effizienter arbeitet es. 7.2 - Messreihe 1 30 Klirrfaktoranteile bei verschiedenen Röhrentypen.( k2 = Oktave, k5 = Terz)36 7.3 - Schaltplan JTM45 36 Haas S.19-20 31 Schaltplan des Marshall JTM45 7.4 - Literatur 32 Bücher 1. Gerhard Haas „Gitarrenverstärker selbstgebaut“ 1999 Elektor Verlag 2. Siemens „pu 26 Physikalische Grundlagen der Elektronenröhren“ 1971 3. Siemens „pu 28 Die Triode“ 1973 Weitere Quellen 1. http://de.wikipedia.org/wiki/Elektronenr%C3%B6hre 2. http://de.wikipedia.org/wiki/Widerstand_%28Bauelement%29 3. http://de.wikipedia.org/wiki/Potentiometer 4. http://de.wikipedia.org/wiki/Spannungsteiler 5. http://de.wikipedia.org/wiki/Drossel_%28Elektrotechnik%29 6. Ralf Engel, Dipl. Ing. für Elektrotechnik 7.5 - Erklärung Ich versichere hiermit, dass ich diese Facharbeit selbständig verfasst, keine anderen als die angegebenen Hilfsmittel verwendet habe und dass sämtliche Stellen, die benutzten Werken im Wortlaut oder dem Sinne nach entnommen worden sind, mit Quellenangaben kenntlich gemacht wurden. Diese Versicherung gilt auch für Zeichnungen, Skizzen und bildliche Darstellungen. Helsa den 04.05.06 33
