Grundsätzliches zum Verstärkerbau

Seit ich meine (unfreiwillig begonnene) Verstärkerseite begann, bekomme ich, so hin und wieder, die eine oder andere Anfrage die gewisse Schaltungsfeinheiten betreffen.
Nun muß ich ja gestehen - ich hatte kaum besonderes Wissen, wenig Ahnung vom Verstärkerbau.
Mein Hobby-, und naturgemäß auch mein Wissensschwerpunkt lag bei den alten Röhrenradios.
Alles was ich bis heute über Verstärkerschaltungen weiß, mußte ich erst hinterfragen und es mir aus zahllosen Publikationen erlesen.
(Wobei ich u.a. festgestellt hatte daß es unglaublich viele Fehler gibt in den zahllosen Verstärker - "Fachbüchern", von doch namhaften Authoren geschrieben, bei denen man ernsthaft annehmen sollte sie verstünden ihr Fach !! Fehler, die einerseits ein Funktionieren der jeweiligen Schaltung unmöglich machen und die manchesmal sogar Lebensgefährlich sind ! - Aber das steht auf einem anderen Blatt und gehört hier nicht hin..)

Auch erst seit relativ kurzer Zeit wurde mir in leicht verständlichen Worten - so, daß ich es erstmalig begreifen konnte ! - vom Volker Jeschkeit (bei einem Besuch bei mir zu Hause) die Unterschiede zwischen Klasse A-, B- und AB-Verstärkerschaltungen erklärt.
Peinlich, peinlich.. - aber in der Schule gab’s bei mir so was nicht.. - jedoch : man ist nie zu alt und nie zu blöde, um nicht doch noch etwas dazuzulernen.

Um mir nun die Worte und die Arbeit zu ersparen, die Fragen, die mir (mittlerweile reichlich häufig) per Mail gestellt werden und diese dann per Mail zu beantworten, habe ich diesen folgenden Artikel auf die Beine gestellt.
Ich kann und will nun nicht behaubten ich hätte ihn mir alleine ausgedacht - er stammt größtenteils aus verschiedenen RPB-Büchern der 60er Jahre (etwas aufgepeppt von mir) - aber daß ist ja auch nicht der Zweck des Artikels und das Thema.
Wichtig ist, daß in diesem Artikel die meisten Fragen beispielhaft erklärt und beantwortet werden - und das ist der Zweck und das Thema dieses Artikels.
- Also, los geht’s !

Eintakt - A - Betrieb mit Röhren
Unter Eintakt-A-Betrieb versteht man den Betrieb von Endstufen, die mit einer Leistungspentode bestückt sind. Die Steuergittervorspannung dieser Röhre ist derart gewählt, daß der Arbeitspunkt so auf dem geraden Teil der Arbeitskennlinie bei richtigem Anpassungswiderstand Ra liegt, daß die Röhre mit der in den Röhrenlisten angegebenen Gitterwechselspannung Ug1~ die für die Röhre erzielbare Sprechleistung P bei 10 % Klirrfaktor abgibt. Für die heute durchweg in Eintakt-A-Endstufen verwendeten Pentoden berechnet sich der Anpassungswiderstand nach der Faustformel Ra = Ua / Ia.
Beispiel; Für die EL 84 werden u. a. angegeben:
Ua = 250 V, Ug2 = 250 V, Ia = 48 mA, Ig2 = 5,5 mA, Rk = 135 W , S = 11 mA/V, Ugi ~ = 4,3 Veff, P = 5,7 W bei 10 % Klirrfaktor.
Nach dieser Formel ist also Ra = 250 / 0,048 = 5,2 kW.
Im allgemeinen wird der Ausgangsübertrager so bemessen, daß seine Primärwicklung für 800 Hz einen Scheinwiderstand besitzt, der dem für die EL 84 eben berechneten Ra = 5,2 k>W entspricht.
Der Gleichstromwiderstand der Wicklung ist erheblich kleiner, so daß man mit einer Betriebsgleichspannung Ub = 270...300 V auskommt.
Die Röhre arbeitet über den Katodenwiderstand Rk mit einer automatischen Gittervorspannung Ug1 = (Ia + Ig2) • Rk = (0,048 + 0,005) A • 135 W = - 7,22 V.
Das folgende Diagramm zeigt im linken Teil das einer Röhrenliste entnommene Ia / Ua-Kennlinienfeld der EL 84. Der Arbeitspunkt ist mit A bezeichnet. Die Strich-punktierte Hyperbel gibt den Verlauf der Anodenverlustleistung Pa wieder, die im Betrieb nicht überschritten werden darf.


Die Neigung der Widerstandsgeraden für Ra bestimmt man nach der Formel
Ua= Ub - IaRa.
Zunächst wird durch Umstellung dieser Formel berechnet
Ub = Ua + IaRa
Bei Ua = 0 ergibt sich dann
Ia = Ub / Ra = 499,6 V / 5200 W = 96 mA
und bei
Ia = 0 wird Ua = Ub = 499,6 V.
Die durch Ia = 96 mA und Ua = 499,6 V gezogene Gerade schneidet den Arbeitspunkt A, wodurch die Richtigkeit dieser kleinen Rechnung bewiesen ist.
Der rechte Teil des gezeigten Diagramms gibt die durch Übertragung aus dem Ia / Ua - Kennlinienfeld konstruierte Arbeitskennlinie für die EL 84 wieder.
Als höchstzulässige Gitterwechselspannung Ug1 ~ sind 4,3 Veff ^ 1,41 • 4, 3 ~ 6 V Spitzenspannung zulässig.
Um den Arbeitspunkt A mit Ug1 = - 7,22 V kann also die Röhre zwischen -13,22V und -1,22V Gitterspannung ausgesteuert werden, was Anodenspannungsschwankungen etwa zwischen 24 V und 475 V und Anodenstromschwankungen etwa zwischen 93 mA und 5 mA im Anodenkreis hervorruft.
Wir betrachteten eben die Arbeitsweise der Röhre EL 84 mit einem ohmschen Außenwiderstand Ra = 5,2 kW. Der Widerstand der Primärwicklung des Ausgangsübertragers ist jedoch frequenzabhängig, d. h. ihr Scheinwiderstand ändert sich mit der Frequenz. Hierdurch entstehen ellipsenförmige Arbeitskennlinien anstelle der Widerstandsgeraden. Der Zusammenhang zwischen Anodenstrom- und Anodenspannung kann also nicht mehr einfach durch eine Widerstandsgerade dargestellt werden, weil ein Phasenwinkel zwischen Strom und Spannung auftritt. Immerhin treten im Anodenkreis der Endröhre Spannungen und Ströme auf, die infolge der zusätzlichen Wechselamplituden bei voller Aussteuerung etwa das Doppelte der Anodenspannungs- bzw. -stromwerte erreichen.
Die der Röhre entnommene Gleichstromleistung (Anodenverlustleistung) Pa ergibt sich aus dem Produkt von Anodengleichstrom und Anodengleichspannung zu
Pa = IaUa.
Für die betrachtete EL 84 ist also im Arbeitspunkt A
Pa = 0,048 A • 250 V = 12 Watt.
Die an den Lautsprecher abgegebene Sprechleistung berechnet sich - wenn man die Verzerrung und die Verluste im Ausgangsübertrager vernachlässigt - aus der Hälfte des Produktes aus dem halben Anodenwechselstrom Ia ~ / 2 und der halben Anodenwechselspannung Ua ~ / 2 zu
PL~ = 1 / 2 • Ia ~ / 2 = Ia~ Ua~ / 8
Hierbei werden Ia ~ und Ua ~ von Spitze zu Spitze gerechnet.
Da die Effektivwerte jedoch beide 1,414 kleiner sind, ist die echte Ausgangsleistung um den Faktor 2 kleiner als die Spitzenleistung. (Diesen Faktor vergessen aber manche Brüll-Verstärker, was dann die riesigen Leistungsangaben erklärt). Man erkennt aber auch - auf manchen Röhrendatenblättern - die Angabe Na, z.B. 9 Watt - und eine andere Angabe, die mit dem Buchstaben N - aber in alter gotischer Schrift - bezeichnet ist, dann, bei diesem Beispiel, 4 Watt.
Für die EL 84 ergibt sich demnach bei voller Aussteuerung
PL = (0.093 - 0,005) A • (475 - 24) V / 8 = 0,008 A • 451 V / 8 = ~ 5 Watt.
Alle im Eintakt-A-Betrieb arbeitenden Endstufen enthalten heute eine Gegenkopplung, die zwar die Sprechleistung herabsetzt, aber dafür die Verzerrungen vermindert. Auf die verschiedenen Arten der Gegenkopplung und ihre Berechnung soll hier aber nicht eingegangen werden.

Gegentaktbetrieb mit Röhren
Gegentaktschaltungen sind seit langer Zeit bekannt. Sie haben den Vorteil, daß der Wirkungsgrad der Endstufe größer als bei einer einzelnen Endröhre und die Verzerrungen erheblich geringer sein können. Das folgende Bild zeigt die klassische Gegentaktschaltung für zwei Trioden.
Die niederfrequente Wechselspannung U~ wird über einen Eingangsübertrager EÜ den Gittern der beiden Endröhren zugeführt. Die Mittelanzapfung der Sekundärwicklung von EÜist wechselstrommäßig mit der Kathode verbunden. Steigt die Spannung an dem einen Gitter in positiver Richtung, so sinkt sie symmetrisch in negativer Richtung am anderen Gitter ab. Im Anodenkreis liegt die Primärwicklung des Ausgangsübertragers AÜ, die ebenfalls in der Mitte angezapft ist. Über diese Anzapfung wird den Anoden der beiden Röhren die Anodengleichspannung zugeführt. Die Amplitude der in der oberen Hälfte von AÜ entstehenden Wechselspannung nimmt zu, wenn die Gitterspannungsamplitude sich in negativer Richtung ändert. Zur gleichen Zeit steigt die Gitterspannungsamplitude der unteren Röhre in positiver Richtung und infolgedessen sinkt die Anodenspannungsamplitude der unteren Hälfte der Primärwicklung von AÜ in negativer Richtung. Das bedeutet, daß einer Zunahme der Spannung an Punkt a in bezug auf Punkt c eine symmetrische Abnahme der Spannung an Punkt b in bezug auf Punkt c entspricht. Die Wechselströme in den beiden Hälften der Primärwicklung von AÜ induzieren beide in die Sekundärwicklung Wechselströme, und zwar so, daß sie sich addieren.

Im folgenden Bild sind die dynamischen Kennlinien der beiden Röhren so gezeichnet, daß die untere Kennlinie um 180° gedreht ist und die beiden Arbeitspunkte A auf derselben senkrechten Linie liegen.

Die an die Gitter gelegte Wechselspannung Ug läßt in den Anodenkreisen der beiden Röhren verzerrte Anodenwechselströme entstehen, wie in der Mitte des Bildes dargestellt. Da die Verzerrungen des Anodenwechselstroms hauptsächlich durch die zweiten und dritten Harmonischen verursacht werden, sind diese Wechselströme eingezeichnet. Addiert man die Wechselströme, so ergibt sich der ganz rechts im Bild gezeichnete Gesamt-Anodenwechselstrom. Das Bild zeigt, daß sich die beiden (größeren) zweiten Harmonischen aufheben, während sich die beiden (kleineren) dritten Harmonischen addieren. In gleicher Weise wirken sich auch höhere Harmonische aus, geradzahlige heben sich auf, ungeradzahlige addieren sich.
Unsere Darstellung bezieht sich auf Trioden, die unverständlicherweise kaum noch in Gegentakt-Endstufen verwendet wurden. Man arbeitete auch in Gegentakt-Endstufen mit Pentoden und erst heutzutage erkennt man wieder die Vorteile der Trioden. Bei den meisten Typen der Röhrengattung Pentode ist nämlich die dritte Harmonische stärker als die zweite vertreten, wenn man nach der ersten Formel den Belastungswiderstand Ra = Ua/Ia wählt. In Gegentakt-Endstufen mit Pentoden wird deshalb der Belastungswiderstand pro Röhre kleiner als Ua / Ia bemessen. Dann hat die Pentode den Vorteil eines wesentlich günstigeren Wirkungsgrades.
Jedoch erzeugt gerade die dritte - und alle weiteren ungeraden Harmonischen - eine für das menschliche Ohr empfundene Disharmonie, sie wirkt kalt und verzerrt. Diese ungeraden Harmonischen werden von einer Triode nicht erzeugt, deshalb wird ein Triodensystem besonders für ein gutes Gehör immer besser klingen als ein Pentodenverstärker.
Verfolgt man die Diskussionsrunden in den heutigen Internet-Foren wird man auch immer wieder auf Diskussionen stoßen, die Röhren wie die AD1, 300B o.ä. Trioden favorisieren, bei den Klangpuristen ist eine Pentode geradezu verpönt.
Anstelle des teueren und doch stets noch frequenzabhängigen Eingangsübertragers EÜ verwendete man jedoch transformatorlose Phasenumkehrstufen.

Klasse-A-Einstellung



Bei dieser Einstellung wird die Gittervorspannung so gewählt, daß während der ganzen Gitterwechselspannungsperiode Anodenstrom fließt.
Die Gitterwechselspannungsamplitude steuert also die Röhre nicht so weit aus, daß der Anodenstrom auf der einen Seite Null wird bzw. nach der anderen Seite den Punkt des Gitterstromeinsatzes erreicht.






Klasse-B-Einstellung



Es ist jedoch möglich, den Arbeitspunkt der Röhre so zu wählen, daß die negative Gittervorspannung ungefähr der Gittervorspannung entspricht, bei welcher der Anodenstrom Null wird.


Man spricht dann von Klasse-B-Einstellung, die vorzugsweise bei Kraftverstärkern angewendet wird. Eine sinusförmige Gitterwechselspannung wird bei der Gegentakt-Schaltung nunmehr offenbar auch einen sich aus sinusförmigen Halbwellen zusammensetzenden Anodenwechselstrom erzeugen (s. folgendes Bild).



Der Wirkungsgrad eines solchen Gegentakt-B-Verstärkers ist wesentlich höher als der eines Gegentakt-A-Verstärkers. Einen Gegentakt-B-Verstärker soll man gut aussteuern; denn bei kleinen Signalen können Verzerrungen auftreten, die durch die untere Krümmung der Arbeitskennlinien verursacht werden.

Klasse-AB-Einstellung
In Rundfunkempfängern wählt man deshalb den Arbeitspunkt der Gegentakt-Endpentoden so, daß bei kleinen Signalen der Anodenstrom während der ganzen Gitterwechselspannungsperiode fließt und erst bei größeren Signalen während eines Teils der Periode Null wird (s. folgendes Bild).


Die Gitterspannung kann dann ohne weiteres vollautomatisch an Katodenwiderständen erzeugt werden.

Anstatt des in diesem Bild gezeichneten, für beide Röhren gemeinsamen Katodenwiderstandes lassen sich auch getrennte Widerstände und andere Schaltungsvarianten anwenden, die eine sorgfältige Einstellung auf gleiche Katodenruheströme ermöglichen, um Unterschiede in den Daten der zwei Gegentaktpentoden auszugleichen.

Betriebswerte der EL 84 zum Vergleich
Als Beispiel seien einige Betriebswerte der Endpentode EL 84 aufgeführt.
Die EL 84 liefert bei günstiger Einstellung (ohne Gegenkopplung) im Eintakt-A-Betrieb eine Sprechleistung P = 5,7 W bei 10 % Klirrfaktor, im Gegentakt-AB-Betrieb oder Gegentakt-B-Betrieb jedoch eine Sprechleistung P = 17 W bei nur 4 % Klirrfaktor.

Ultralinearschaltung (Schirmgitter-Gegenkopplung).
Es wurde bereits auf die Eigenschaften der Gegentakt-AB-Schaltung hingewiesen (guter Wirkungsgrad bei geringem Klirrfaktor), die jedoch durch entsprechende Gegenkopplung weiter verbessert werden können. Seit vielen Jahren ist eine Anordnung bekannt, die mit einer Gegenkopplung zwischen Anode und Schirmgitter der Gegentakt-Endpentoden arbeitet und als "Ultralinearschaltung" bezeichnet wird. Dieser Ausdruck stammt aus der amerikanischen Literatur. Die Schaltung ermöglicht, die Wiedergabequalität der Endstufen weiter zu erhöhen und verbindet folgende Vorteile der Triode und der Pentode miteinander :
1. kleiner triodenmäßiger Innenwiderstand zur besseren Lautsprecherdämpfung,
2. Beibehaltung der hohen Empfindlichkeit der Pentode zugunsten einer geringeren Nf-Vorverstärkung,
3. kleiner Klirrfaktor und geringere Intermodulation bei kleinen und großen Eingangssignalen,
4. genügend hoher Wirkungsgrad, um ausreichende Leistung ohne übertriebenen Schaltungsaufwand billig zu erhalten.

Das Prinzip der Ultralinearschaltung einer Gegentakt-Endstufe beruht darauf, dem Schirmgitter der Endpentoden einen Teil der Anodenwechselspannungen zuzuführen, entweder über Anzapfungen der Primärwicklung - oder aus einer Drittwicklung des Ausgangstransformators ATr. Durch Wahl der Anzapfungen bzw. der Windungszahl der Drittwicklung läßt sich die Einstellung der Röhren zwischen Trioden- und Pentodenbetrieb variieren.

Bemessung einer Ultralinearstufe
Entweder kann man bei vorgegebener maximaler Leistung Po max den Klirrfaktor k und den Innenwiderstand Ri so klein wie möglich halten, ohne den Wirkungsgrad und den Eingangs-Wechselspannungsbedarf zu berücksichtigen, oder man sucht bei gegebenem k und Ri den wirtschaftlichsten Weg zu ihrer Einhaltung.
Untersuchungen in den Valvo-Applikations-Laboratorien haben ergeben, daß die Ultralinearschaltung in bezug auf die benötigte Eingangsspannung günstiger als die übliche Gegenkopplung ist, wenn man das Verhältnis x = Ug2 / Ua = 0,5 wählt. Der Wirkungsgrad h ändert sich jedoch zwischen x = 0 und x = 0,2 nur wenig, der Innenwiderstand sinkt am stärksten bis x = 0,2, und auch der Anfangsteil der Po max - Kurve verläuft bis x = 0,2 etwas flacher. Da man weiter auf eine Gegenkopplung, die auch die Vorstufen einschließt, nicht verzichten wird - wenn sie sich auch bei Anwendung der Ultralinearschaltung schwächer halten läßt -, so wird empfohlen, x = 0,2 zu wählen und damit auf etwa 10...18 % der möglichen Ausgangsleistung zu verzichten. Weitere Maßnahmen zur Verhütung von Selbsterregung erübrigen sich dann.
Messungen an verschiedenen Ausgangstransformatoren zeigten, daß deren Aufbau sorgfältig durchzuführen ist. Die beiden Anodenspannungswicklungen mit ihren Anzapfungen für die Schirmgitter müssen symmetrisch angebracht sein. Während bei normaler Gegentaktschaltung Lagenwicklung genügt, empfiehlt sich für die Ultralinearschaltung, den gesamten Wickelraum in zwei gleiche Kammern aufzuteilen. In diesen sind beide Wicklungshälften möglichst gleichmäßig unterzubringen, damit die nötige feste Kopplung zwischen ihnen erreicht wird. Unsymmetrien zwischen den Wicklungen führen zu unterschiedlicher Streuinduktivität und Wicklungskapazität; bei hohen Frequenzen tritt Ungleichheit von Phase und Amplitude der Schirmgitterwechselspannungen und der Anodenwechselströme auf, so daß sich die geradzahligen Harmonischen nicht mehr auslöschen.

Gedruckte Schaltung oder konventionelle Verdrahtung?
Diese Frage läßt sich nicht allgemeingültig beantworten. Wer sich eine Ansicht bilden möchte, muß sich etwas tiefer in die Zusammenhänge hineindenken.
Erinnern wir uns zunächst einmal daran, was die Hauptvorzüge gedruckter Schaltungen sind.
An der Spitze steht die absolute Gleichmäßigkeit in der Massenfertigung, dann folgen die Kostensenkung durch die maschinelle Bestückung mit Bauelementen und das automatische Löten im Tauchlötbad. Erst an dritter Stelle machen sich die geringen Abmessungen vorteilhaft bemerkbar.
Beim Bau eines Einzelstückes spielen die beiden zuerst genannten Gesichtspunkte überhaupt keine Rolle, im Gegenteil.
Das Anfertigen der Druckplatine kostet viel mehr Zeit und Geld als eine biedere Handverdrahtung. Erst wenn besonders kleine Abmessungen gefordert werden, beginnt die gedruckte (oder geätzte) Schaltung interessant zu werden. Das dürften aber Ausnahmen sein, und wer sich dafür begeistert, wird sicher auch Freude am Entwurf und an der Herstellung haben.
Für den Bau von Einzelstücken bewährt sich noch immer am besten das Zusammenfassen von Widerständen und Kleinkondensatoren auf Isolierstoffleisten. Bei vernünftiger Planung gelangt man dadurch zu Baugruppen, die man außerhalb des Gerätes bestückt und lötet und die man anschließend als Ganzes einbaut. Wer wirklich sorgfältig konstruiert hat, muß dann nur noch wenige und ganz kurze Verbindungen zu den Lötfahnen der Röhrenfassungen und zu den Potentiometern oder Anschlußbuchsen herstellen.
Dieses sorgfältige Konstruieren fällt einem aber nicht in den Schoß, und dennoch ist es keine "geheime Wissenschaft", wenn man sich einiger erprobter Kniffe bedient.
Am besten fertigt man sich zunächst ein normales Schaltbild an

und beziffert die Widerstände und Kondensatoren in ihrer natürlichen Reihenfolge. Anschließend werden die Bauelemente in eine Skizze übertragen, die in natürlicher Größe auf Millimeterpapier die Lötösenleiste wiedergibt.




Beim Umzeichnen sollte man darauf achten, daß alle "heißen" Leitungen auf der einen und die kalten (Masse und Anodenspannung) auf der anderen Seite liegen. Außerdem lohnt es sich, die Papierschablone von Zeit zu Zeit in das bereits fertiggestellte Chassis zu halten. Dabei zeigt es sich sofort, ob die abgehenden Anschlüsse später genügend kurz ausfallen oder ob es vielleicht zweckmäßiger ist, beim Bestücken eine oder mehrere Lötösen zu überspringen.
Für die zweckmäßigste Anordnung der Isolierleisten gibt es viele Möglichkeiten. Man kann sie über oder unter dem Chassis stehend an Winkeln oder auf Abstandsstücken liegend befestigen und sie ober- oder unterhalb kreuz und quer mit Bauelementen bestücken.


Früher stellte man sich einen Vorrat solcher Isolierleisten, nach Maß angefertigt, her, und zwar aus 1,5-mm-Hartpapier, auf das im gewünschten Abstand Nietlötösen gesetzt werden. Solche Ösen gab und gibt es in jedem Versandhaus für Radioeinzelteile (z.B. Conrad-Elektronik, Bürklin, Scuricht, etc.), und für zwei bis drei Mark (Preis nach Gewicht) erhält man genug, um damit viele Jahre lang zu basteln und zu bauen.



Inzwischen siegte jedoch die Bequemlichkeit. Heute begnügt man sich mit jenen etwa 12 mm breiten Leisten aus Superpertinax, bei denen die Ösen in 8 mm Abstand sitzen und die man billig als Meterware bekommt. Für eine Platte nach folgendem Bild sind demzufolge zwei getrennte Leisten im gewünschten gegenseitigen Abstand erforderlich.
Diese ursprünglich als Behelf (= Bequemlichkeit) angesehene Lösung hat sich im Lauf der Zeit sogar als sehr praktisch erwiesen, weil sie nämlich beim Auslöten von Bauelementen, die unterhalb der Isolierstoff-Ebene sitzen, noch bequemeres Hantieren erlaubt.





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