Röhrenverstärker

Autor: Andre Adrian
Version: 12.Sep.2011

Einleitung

Röhrenverstärker klingen gut. Röhrenverstärker sehen gut aus durch die leuchtenden Röhren. Röhrenverstärker eignen sich für den Selbstbau. Es gibt ein grosses Interesse an Röhrenverstärkern. Diese Internet-Seite beschreibt verschiedene Versionen eines Röhrenverstärkers für "arme Leute". Die Schaltung eines Röhrenverstärkers wird erklärt, die Beschaffung der Bauteile wird besprochen und eine Anleitung für die Simulation der Röhrenschaltungen mit Spice gibt es auch.

Inhaltsverzeichnis


Geschichte

Ab den 1920er Jahren hatte die Elektronenröhre zwei grosse Einsatzgebiete, einmal im Radioempfänger und zweitens als Telefonverstärker. Nachdem Radio mit Lautsprecher und nicht mehr mit Kopfhörer gehört wurde, war in jedem Radioempfänger ein Röhrenverstärker zu finden. Ab den 1930er Jahren gab es Röhrenverstärker mit einer Leistung von einigen zehn Watt. Mit diesen Leistungsverstärkern konnte ein kleiner Saal beschallt werden. Irgendwann entdeckten Sänger und Musiker die Einsatzmöglichkeiten eines Röhrenverstärkers. Die Verbindung zwischen E-Gitarre und Röhrenverstärker ist besonders eng. Ohne Verstärker ist ein Musiker mit E-Gitarre auf der Bühne ein Nichts. Aber mit einem Verstärker wird der Gitarrist zum Gigant. Etliche Gitarristen haben ihren Röhrenverstärker "mißbraucht" um interessante musikalische Effekte zu erzielen. Der eine Gitarrist hat den Röhrenverstärker benutzt um aufheulende Töne zu spielen. Der nächste Gitarrist hat den Verstärker gnadenlos übersteuert um verzerrte Töne aus der Gitarre zu locken. Die Hersteller von Röhrenverstärkern wie Marshall, Fender oder Vox hatten ihre Verstärker nicht als Effektgeräte geplant. Eigentlich sollte das Ausgangssignal des Röhrenverstärkers eine gute Kopie des Eingangssignals sein. Dieses Ziel haben die Hersteller der bekannten Röhrenverstärker für E-Gitarre zur Freude der Rockmusiker nicht erreicht.

Radiotron 1939 Röhrenverstärker



Der Radiotron Verstärker wurde beschrieben in dem Buch "Radiotron Designer's Handbook, Third Edition" aus dem Jahr 1941. Das Radiotron Buch war ein Standard-Werk für die Elektronik-Ingenieure der Röhrenära.
Die Schaltung benutzt vier Röhren für die Niederfrequenzverstärkung. Die erste Röhre, die linke 6J7-G Pentode, bildet eine Vorverstärker-Stufe. Die zweite 6J7-G Pentode arbeitet als "phase splitter", als Phasenumkehr-Stufe. Die beiden Pentoden 6L6-G bilden die "push-pull" oder Gegentakt-Endstufe.

Vorverstärker

Das Eingangssignal liegt an den beiden linken Kreise. Über den "Master Volume" Potiometer gelangt das Eingangssignal direkt auf das Steuergitter der ersten 6J7-G. Zwischen Kathode der Vorverstärker-Pentode und Masse liegt die Parallelschaltung von einem 2000Ω Widerstand und einem 25µF Elektrolyt-Kondensator (Elko). Diese beiden Bauteile sorgen für eine kleine Gleichspannung an der Kathode. Die Kathode ist positiver als das Steuergitter. Oder, anders betrachtet, das Steuergitter ist negativer als die Kathode. Damit die Elektronenröhre ohne Eingangsleistung angesteuert werden kann, muss die Steuergitter-Spannung negativer als die Kathoden-Spannung sein. Durch die Röhre 6J7-G fließt ein Gleichstrom, welcher im Takt der Musik schwankt. Diese Schwankung ist aber nicht stark. Nach dem Ohm'schen Gesetz U = R * I (Spannung am Widerstand ist gleich Widerstands-Wert mal dem Strom durch den Widerstand) ergibt sich die Kathodenspannung. Der 25µF Elko dämpft die Spannungsschwankung an der Kathode. Die Anode der ersten 6J7-G liegt über einen 0,25MΩ (250kΩ) Widerstand an der Versorgungsspannung von 425V. Zwischen Kathoden- und Anoden-Anschluß wirkt die Röhre wie ein einstellbarer Widerstand. Die Spannung zwischen Steuergitter und Kathode bestimmt ob die Kathode-Anode-Strecke hochohmig oder niederohmig ist. Die Spannung an der Anode hängt vom Widerstandsverhältnis von dem 250kΩ Widerstand und dem Kathode-Anode-Widerstand ab. Wird die Eingangsspannung negativer, so wird der Kathode-Anode-Widerstand grösser und die Spannung an der Anode steigt. Wird die Eingangsspannung positiver, so wird der Kathode-Anode-Widerstand kleiner und die Spannung an der Anode sinkt.
Zwischen Anode und Masse liegt ein Kondensator von 0,0001µF (100pF). Dieser Kondensator verringert die obere Grenzfrequenz des Verstärkers. Oft wird ein solcher Kondensator eingebaut um wilde Schwingungen des Verstärkers zu vermeiden.
Das Schirmgitter der ersten Röhre ist über einen 1,5MΩ Widerstand mit der Anode der dritten Röhre verbunden. Diese Verbindung realisiert eine Gegenkopplung. Die Gegenkopplung wird später vollständig besprochen.

Phasenumkehr

Die Phasenumkehr-Stufe ist wegen der Gegentakt-Endstufe nötigt. Die beiden Endstufen-Pentoden benötigen für die Ansteuerung zwei Signale welche gegenphasig sind. Wird das eine Signal positiver, so muss das andere Signal negativer werden. Die Phasenumkehr erzeugt aus einem Eingangssignal zwei gegenphasige Ausgangssignale. Viele "Distortion"-Effekte eines Röhrenverstärkers entstehen in der Phasenumkehr-Stufe. Die Phasenumkehr-Stufe hat einen Kathodenwiderstand und einen Anodenwiderstand von je 100kΩ. Wird die Kathode-Anode-Strecke niederohmiger, dann steigt der Strom durch Kathodenwiderstand und Anodenwiderstand. Gegenüber Masse steigt die Spannung an der Kathode, die Spannung an der Anode sinkt. Die beiden gegenphasigen Ausgangssignale entstehen am Kathodenwiderstand und Anodenwiderstand.
Damit die Spannung an der Kathode positiver ist als am Steuergitter, gibt es den 5000Ω Widerstand an der Kathode. Der 0.02µF (20nF) Kondensator und der 1MΩ Widerstand am Steuergitter der zweiten Röhre bilden die RC-Kopplung zwischen erster und zweiter Pentode. Ohne Eingangssignal hat die Anode der ersten Röhre eine Spannung von einigen Hundert Volt. Das Steuergitter der zweiten Röhre hat eine deutlich kleinere Spannung. Der 0.02µF Kondensator hat zwischen seinen Platten eine Gleichspannung. Solange der Spannungsunterschied zwischen den Kondensatorplatten gleich bleibt, fließt kein Strom durch den Kondensator. Schwankt die Spannung an der einen Kondensatorplatte, dann schwankt auch die Spannung an der anderen Kondensatorplatte. Der 1MΩ Widerstand ist der Gitterableitwiderstand. In der Röhren fliegen Elektronen von der Kathode durch das Steuergitter zur Anode. Einige dieser Elektronen verirren sich auf der Steuergitter. Elektronen auf dem Steuergitter reduzieren den Elektronenstrom zwischen Kathode und Anode. Über den Ableitwiderstand gelangen diese Elektronen zur Masse und "verstopfen" nicht das Steuergitter.

Gegentakt-Endstufe

 Die beiden Endstufen-Pentoden arbeiten weitgehend unabhängig voneinander. Die Kopplung zwischen Phasenumkehr und Endstufe erfolgt mit einem RC-Glied. Der Koppelkondensator hat 0.1µF (100nF), der Ableitwiderstand hat 250kΩ. Am Steuergitter liegt ein Widerstand von 0,01kΩ (100Ω). Dieser Widerstand ist die Schwingbremse. In der Röhre liegt zwischen Steuergitter und Kathode eine Kapazität. Zusammen mit einer Induktivität ausserhalb der Röhre ergibt sich ein Schwingkreis. An der Anode der Röhre liegt mit dem Ausgangsübertrager eine Induktivität. Der Miller-Effekt beschreibt wie aus Schwingkreis am Eingang und Induktivität am Ausgang ein Oszillator entsteht. Der Schwingbremse-Widerstand liegt in Reihe zu C und L des Schwingkreises und senkt die Schwingkreisgüte. Ein solcher schlechter Schwingkreis reagiert wenig auf den Miller-Effekt. Übrigens: Wenn die Endstufe wild schwingt entstehen meistens Frquenzen die weit oberhalb der hörbaren Töne liegen. Der Verstärker "verstopft". Der Klang ist eher dumpf.
Die Kathoden der beiden End-Pentoden sind verbunden. Zwischen Kathoden und Masse liegt ein RC-Glied wie bei der Vorstufe. Das RC-Glied aus 200Ω Widerstand und 25µF Elko erfüllt die gleiche Aufgabe wie beim Vorverstärker. Die Kathode ist positiver als das Steuergitter.
Die Anoden der beiden End-Pentoden liegen über die Primärwicklungen des Ausgangsübertragers an der Versorgungsspannung. Die Primärwicklung hat einen Widerstand von einigen Ohm. Wichtiger für die Funktion der Verstärkers ist aber die Induktivität der Primärwicklung. Für eine Frequenz von 1000Hz bedeutet die Induktivität der Primärwicklung eine Impedanz von einigen Tausend Ohm. Die Stromschwankungen in den Primärwicklungen werden auf die Sekundärwicklung übertragen. Die Stromschwankungen im Lautsprecher bewegen die Lautsprecher-Membrane und unser Ohr interpretiert die durch die Membrane ausgelösten Luftdruckschwankungen als Töne.
Die Schirmgitter der End-Pentoden werden über einen Spannungsteiler aus den Widerständen 1400Ω und 5000Ω mit Spannung versorgt. Diese beiden Widerstände werden recht heiss. Bei einer Versorgungsspannung von 425V fliesst durch die beiden Widerstände ein Strom von 66mA. Die Leistung wird berechnet aus P = U * I (Leistung ist gleich Spannung mal Strom). Beide Widerstände verwandeln 28W elektrische Leistung in Wärme. Ein Elko mit 8µF Kapazität glättet die Schirmgitter-Spannung.

Gegenkopplung

Ein HiFi Verstärker soll das Eingangssignal verstärken und nicht verzerren. Ein Gitarren-Röhrenverstärker ist kein HiFi Verstärker, hier wurde vom Musiker oft eine "interessante" Verzerrung gewünscht. Heute benutzen Musiker Effektgeräte wie das Tube-Zipper von Electro Harmonix für die "Distortion". Ein Open-Air Konzert arbeitet mit etlichen tausend Watt Leistung aus Transistor-Verstärkern. Diese Verstärker können ein vom Effektgerät verzerrtes Signal wiedergeben, aber ehrlich gesagt niemand möchte hören wenn ein Transistor-Verstärker aufgrund von Übersteuerung Clipping-Distortion erzeugt, das hört sich einfach nur schlecht an.
Die Gegenkopplung soll aus einem Verstärker der verzerrt einen Verstärker machen der nicht verzerrt. Hierzu wird ein Teil des Ausgangssignals wieder am Eingang eingespeist. Zurückgekoppeltes Ausgangsignal und Eingangssignal arbeiten gegeneinander, deshalb Gegenkopplung. Durch Gegenkopplung sinkt die Verstärkungsfaktor des Verstärkers. Die von der Gegenkopplung "aufgefressene" Verstärkung wird benutzt um die Verzerrungen zu verkleinern. Im Radiotron Verstärker erfolgt die Gegenkopplung zwischen Anode einer End-Pentode und Schirmgitter der Vorstufen-Pentode. Zwei Widerstände mit den Werten 1,5MΩ und 0,03MΩ (30kΩ) bilden einen Spannungsteiler. Die Spannungsschwankung an der Anode der End-Pentode kommt reduziert am Schirmgitter der Vorstufen-Pentode an. Das Schirmgitter beeinflusst wie das Steuergitter den Elektronenstrom zwischen Kathode und Anode. Der Elektronenstrom reagiert auf Änderungen der Schirmgitter-Spannung viel weniger empfindlich als auf die Änderungen der Steuergitter-Spannung. Die Gegenkopplung des Radiotron Verstärkers ist schwach. Die Verstärkung wird wenig reduziert, die Verzerrungen werden ebenfalls wenig reduziert.

Arme Leute Röhrenverstärker Nr. 1

Der "Arme Leute" Verstärker ist ähnlich aufgebaut wie der Radiotron 1939 Röhrenverstärker. Es gibt aber auch einige Unterschiede. So hat der "Arme Leute" Verstärker keine Gegenkopplung über mehrere Stufen. Die Vorstufe und die Phasenumkehr wird mit der Doppeltriode ECC83 durchgeführt, nicht mit zwei Pentoden. Die Endstufe besteht aus zwei EL84 Pentoden. Wie bei der EL84 üblich liegen die Schirmgitter direkt an der Versorgungsspannung.
Der grösste Sparposten am "Arme Leute" Verstärker ist der Ausgangsübertrager. Es wird ein Netztrafo benutzt. Ein Trafo mit zwei Primärwicklungen für 115V und Sekundärwicklung für 6V hat das passende Übersetzungsverhältnis für eine EL84 Endstufe. Ein Netztrafo arbeitet bei 50Hz. Als Ausgangsübertrager eingesetzt hat ein Netztrafo deshalb keine Probleme mit tiefen Tönen. Bei einer Gegentaktendstufe ist auch kein Luftspalt nötig. Natürlich ist das Wicklungsschema bei einem Netztrafo nicht so ausgefeilt wie bei einem Ausgangsübertrager. Mit einem "echten" Ausgangsübertrager wäre der Arme Leute Verstärker aber nicht mehr günstig und nichts mehr für arme Leute. Weil der Arme Leute Verstärker keine Gegenkopplung von der Sekundärseite des Übertragers hat, ist die Induktivität des Übertragers wichtig für den Frequenzgang. Eine Induktivität der kompletten Primärwicklung von 90 Henry ist ideal. Eine grössere Induktivität bevorzugt die tiefen Frequenzen zum Nachteil der hohen Frequenzen, eine kleinere Induktivität benachteiligt die tiefen Frequenzen zugunsten der hohen Frequenzen.

Vorstufe

Über den Potiometer R1 gelangt das Eingangssignal an das Steuergitter von U1A, einer ECC83. R1 sollte einen Wert von ungefähr 100kΩ und einen logarithmischen Widerstandsverlauf haben. Die Kathodenspannung an U1A von ungefähr 1,5V entsteht durch den Widerstand R3. Die Spannungsverstärkung der Vorstufe ergibt sich aus der Verhältnis R2 / R3. Wird der Widerstand R3 wie in dem Radiotron Verstärker mit einem Elko überbrückt, dann steigt die Spannungsverstärkung der Vorstufe, aber auch die Verzerrungen. Im Arme Leute Verstärker gibt es Gegenkopplung, auch wenn diese nicht sofort auffällt. Die Gegenkopplung wirkt immer nur auf eine Verstärkerstufe. Diese Art der Gegenkopplung bereitet keine Probleme.
Der Widerstand R8 und der Elko C1 sieben die Versorgungsspannung für die Vorstufe und der Phasenumkehr. An C1 liegen 240V.

Phasenumkehr

Der "phase splitter" rund um U1B hat den Arbeitswiderstand R5 an der Anode und den R7 an der Kathode. An der Kathode von U1B lassen sich ungefähr 17V messen. An C3 und C4 entstehen gegenphasige Signale für die Ansteuerung der Endstufe. Die Spannungsverstärkung der Stufe ergibt sich aus R5 / R6 und aus R7 / R6. Auch die Phasenumkehr-Stufe arbeitet mit Gegenkopplung.

Endstufe

Die Endstufen-Pentode U2 hat am Steuergitter den Ableitwiderstand R9. Die Schwingbremse R10 verhindert wilde Schwingungen. Der hohe Wert von 10kΩ ist nötig weil die EL84 als steile Pentode eine hohe Verstärkung hat. Der Widerstand R11 sorgt für eine Kathodenspannung von ungefähr 9V. Der Ausgangsübertrager hat die zwei Primärwicklungen L1, L2 und die Sekundärwicklung L3. Der Ausgangsübertrager ist ein 10VA Netztrafo für zweimal 115V Eingangsspannung und zweimal 6V Ausgangsspannung. Die beiden 6V Sekundär-Wicklungen werden parallel geschaltet. Die Impedanz des Lautsprechers, RL, kann zwischen 4Ω und 8Ω liegen. Laut EL84 Datenblatt beträgt die Ausgangsleistung der Endstufe 10,9W.
Achtung: In der Spice Simulation neigt die phase splitter Schaltung zu wilden Schwingungen. Ein 220kΩ Widerstand mit 2W Belastbarkeit zwischen den Anoden von U2 und U3 geschaltet beruhigt den Verstärker. Wenn die Endpentode ausgesteuert wird bis kein Anodenstrom mehr fließt, dann hängt das entsprechende Ausgangsübertrager-Ende in der Luft. Eine Selbstinduktion entsteht. Der 220kΩ Widerstand erlaubt dem Ausgangs-Übertrager immer einen Stromfluss in der Primärwicklung.

Simulationswerte

Die Schaltung wurde unter LTSpice simuliert und optimiert. Das Bild links zeigt das Ausgangsspektrum von einem 1kHz Sinuston bei 1W Ausgangsleistung im Bereich 20Hz bis 20kHz. Die Harmonischen liegen um 45dB unter dem Grundton. Durch mehr Gegenkopplung lässt sich dieser Wert verbessern. Es war aber gerade das Ziel einen Verstärker mit wenig Gegenkopplung zu bauen. Das Bild rechts zeigt den Frequenzgang von 20Hz bis 20kHz. Die -3dB Punkte liegen bei 25Hz und 18,5kHz. Der Verstärker erfüllt somit die Norm DIN 45500 welche für HiFi Verstärker einen Frequenzgang von 40Hz bis 16kHz bei +- 1,5dB vorschreibt.


Stückliste

Die Stückliste ist gültig für einen Mono-Verstärker. Für einen Stereo-Verstärker müssen alle Bauteile, mit Ausnahme von R1, doppelt beschafft werden. Die Röhren und Röhrenfassungen erhält man bei Frag Jan zuerst deutlich günstiger als bei Conrad.

Bauteil
 Beschreibung
 Lieferant
 Artikel
U1
 ECC83 oder 12AX7
 Conrad
 Best.-Nr.: 120863 - 62
U2, U3
 EL84 oder 6BQ5
 Conrad
 Best.-Nr.: 121525 - 62
U1, U2, U3 Fassung Noval-Fassung Conrad Best.-Nr.: 120561 - 62
C1
 Elko 47uF, 350V
 Reichelt
 AX 47/350
C2, C3, C4
 Kondensator 100nF, 400V
 Reichelt MKS-4-400 100N
R1
 Potiometer 100kΩ, stereo, logarithmisch
 Reichelt PO6S-LOG 100K
R2
 Metallschicht 100kΩ Reichelt METALL 100K
R3, R6
 Metallschicht 4,7kΩ Reichelt METALL 4,70K
R4, R9, R12
 Metallschicht 680kΩ Reichelt METALL 680K
R5, R7
 Metallschicht 47kΩ
 Reichelt METALL 47,0K
R8, R10, R13
 Metallschicht 10kΩ Reichelt METALL 10,0K
R11
 Metallschicht 150Ω, 2W
 Reichelt
 2W METALL 150
L1 bis L4
 Ausgangsübertager Flach-Netztrafo 2*115V auf 2*6V; 10VA
besser geeignet ist Hammond 1608
 Reichelt
 UI 39/8 206

Ultra Linear Modifikation

Laut STC Application Report zur 6BQ5 (EL84) Pentode von 1957 sinkt durch die Ultra Linear Schaltung der Klirrfaktor von 2,3% auf 0,7%. Die Ulta Linear Schaltung wurde 1938 von dem Engländer Alan D. Blumlein als US-Patent Patent 2218902 "Thermionic Valve Amplifying Circuits" angemeldet. Für die Ultra Linear Modifikation ist ein Ausgangsübertrager mit Anzapfung bei 40% oder 50% der Windungszahl nötig. Von tube-town gibt es den Hammond 1608. Von Reinhöfer electronic gibt es hierzu den Übertrager 53.55. Im Bild unten sind die Anschlüsse des Hammond Übertragers dargestellt. Bei der Ultra Linear Schaltung wird die Anode von U2 mit dem "Blu" Draht verbunden, das U2 Schirmgitter mit "Blu/Yel". Die Anode von U3 wird mit "Brn" verbunden, das U3 Schirmgitter mit "Brn/Yel". Die 250V Versorgungsspannung wird an den "Red" Draht angeschlossen. Durch die Ultra Linear Schaltung entsteht eine Gegenkopplung. Das Schirmgitter lässt sich wie das Steuergitter benutzen um den Elektronenstrom zwischen Kathode und Anode zu steuern. Der Schirmgitter-Eingang ist weniger empfindlich als der Steuergitter-Eingang.

Bild links: Fig. 1 aus Blumlein Patent US-2218902. Bild rechts: Anschlussbelegung Hammond 1608 Übertrager.

Arme Leute Netzteil

Ein "Arme Leute" Netzteil genügt für einen Arme Leute Stereoverstärker. Das Netzteil muss als Anodenspannung 250V bei maximal 180mA liefern, dies sind 45W. Die Heizspannung ist 6,3V und 3,6A, dies sind 23W. Aus 68W Eingangsleistung produziert der Arme Leute Stereoverstärker eine Ausgangsleistung von 22W. Dieser schlechte Wirkungsgrad hat etwas Gutes, er ist nach Meinung des Autors ein Grund warum Röhrenverstärker so gut klingen. Im Arme Leute Netzteil werden Halbleiterbauteile eingesetzt. Ein oder zwei Trafos liefern die nötigen Wechselspannungen für Anoden- und Heizspannung. Eine einfache Spannungsstabilisierung ersetzt die früher übliche Drossel.

Die 230V Wechselspannung sollte über einen Entstörfilter geführt werden. Der Entstörfilter und auch der Ein/Ausschalter sind im Schaltplan nicht eingezeichnet. Der Anodenspannungs-Netztrafo hat die Wicklungen L1 bis L3 und ist ein Trenntrafo. Trenntrafos haben üblicherweise eine 230V Wicklung und zwei 115V Wicklungen. Die beiden 115V Wicklungen werden in Reihe geschaltet. Der Heizspannungs-Netztrafo ist ein handelsüblicher 6V Trafo mit mindestens 24VA und hat die Wicklungen L4 und L5. Die Wechselspannung wird mit den Dioden D1 bis D4 gleichgerichtet. Der Elko C1 glättet die Gleichspannung. Die Widerstände R1 und R2 sorgen für eine Entladung des Elkos C1 nach dem Ausschalten. Trotz dieser Entladewiderstände sollte man nach dem Ausschalten des Verstärkers mindestens eine Minute warten bevor man das Gehäuse öffnet. Der Stromschlag von einem geladenen Elko ist unangenehm. Die Spannungsstabilisierung erfolgt durch den Darlington-Transistor Q1. An der Basis des Transistors liegt eine Spannung von 260V. Diese Spannung ergibt sich durch die Zener-Spannungen der Zener-Dioden D5 bis D8. Am Emitter von Q1 liegt eine Spannung von 258V. Die Kondensatoren C2 und C3 verhindern wilde Schwingungen von Q1.
Der Kühlkörper von Q1 führt die Spannung von 260V und muss isoliert im Gehäuse eingebaut werden.

Bauteil
 Beschreibung
 Lieferant
 Artikel
Entstörfilter
 Kaltgerätebuchse, Entstörfilter, Ausschalter, Sicherung
Reichelt
 FEH 2101
Sicherung
 Sicherung 0,5A träge
 Reichelt TRÄGE 0,5A
L1 bis L3
 Trenntrafo 230V auf 2*115V; 60VA
 Reichelt
 TIM 60
L4 bis L5
 Netztrafo 230V auf 6V; 25VA
 Reichelt EI 60/25,5 106
D1 bis D4
 Diode 1N4007
 Reichelt 1N 4007
D5, D6
 Zenerdiode 68V; 1,3W
 Reichelt ZD 68
D7, D8
 Zenerdiode 62V; 1,3W
 Reichelt ZD 62
Q1
 Darlington npn Transistor TIP122
 Reichelt TIP 122 STM
Q1 Kühlkörper
 Fingerkühlkörper 6K/W
 Reichelt
 V 4554D
C1
 Elko 220uF; 385V
 Reichelt BSN 220/385
C2, C3
 Kondensator 100nF, 400V Reichelt MKS-4-400 100N
R1, R2
 Metallschicht 1kΩ; 2W
 Reichelt 2W METALL 1,0K
R3
 Metallschicht 3,3kΩ; 2W Reichelt 2W METALL 3,3K

Anstelle der beiden Netztrafos kann der Reinhöfer electronic Netztrafo 52.37 benutzt werden.

long tail Phasenumkehr

Die Phasenumkehr-Stufe in einem Röhrenverstärker ist zum Großteil für den individuellen "Verstärkerklang" verantwortlich. Neben der "phase splitter" Schaltung ist die "phase inverter" Schaltung bekannt. Der Differenzverstärker mit dem gemeinsamen Kathodenwiderstand, dem long tail, wurde 1937 von Alan D. Blumlein patentiert im US Patent 2185367. Die "phase inverter" Schaltung ist eine spezielle Nutzung der "long tail" Schaltung. Im "Radiotron Designer's Handbook, Fourth Edition" aus dem Jahr 1954 wird die "Schmitt phase inverter" Schaltung beschrieben. Für einen HiFi Röhrenverstärker ist die "long tail" Schaltung üblich. Bei etlichen Gitarren-Verstärkern wurde sie auch eingesetzt.

Bild links: Long tail Verstärker aus Alan D. Blumlein Patent von 1937. Die Röhren 3, 4 bilden den Differenzverstärker mit Widerstand 5 als long tail.
Bild rechts: Phase inverter aus Radiotron Handbook, Ausgabe 1954

Der 15000Ω Widerstand in der Radiotron Schaltung bildet den "long tail". Im Idealfall wirkt dieser Widerstand wie eine Stromquelle und bestimmt den Kathoden-Strom. Das linke Steuergitter der Doppel-Triode wird angesteuert, das rechte Steuergitter wird nicht angesteuert. Wenn nun der Anodenstrom in der linken Triode steigt, dann muss der Anodenstrom in der rechten Triode um den gleichen Betrag sinken, weil die Summe der beiden Anodenströme, der Kathodenstrom, ja konstant ist. Über den gemeinsamen "long tail" Widerstand ergibt sich die Erzeugung von zwei gegenphasigen Signalen. Der 1500Ω Widerstand sorgt für einen Spannungsunterschied zwischen Steuergitter und Kathode. Wie oben schon beschrieben muss die Kathode immer positiver als das Steuergitter sein, damit die Elektronenröhre ohne Eingangsleistung angesteuert werden kann. Der Spannungsabfall an dem  1500Ω Widerstand liegt zwischen 1V und 2V.

Arme Leute Röhrenverstärker Nr. 2

Der Arme Leute Verstärker Nr.2 benutzt die seit den 1950er Jahren übliche "long tail" Phasenumkehr-Schaltung. Wenigstens in der Spice Simulation hat die phase inverter Schaltung eine niedrigere obere Grenzfrequenz. In der phase splitter Schaltung erzeugt eine Röhre beide Ansteuersignale für die Endpentoden. In der phase inverter Schaltung reagiert zuerst die linke Röhre bevor die rechte Röhre reagiert.

Simulationswerte

Das Spektrum für den Sinuston 1kHz unterscheidet sich nur wenig vom Verstärker Nr. 1 Spektrum. Der Frequenzgang unterscheidet sich deutlich. Die -3dB Punkte liegen bei 22Hz und 14,3kHz. Der Autor hat nicht erwartet, daß die long tail Schaltung der phase splitter Schaltung unterlegen ist.



Fakt und Fiktion über Röhrenverstärker

Die Bauteile für den "Arme Leute" Röhrenverstärker kosten ungefähr 200€. Es gibt aber auch Röhrenverstärker für 10000€ und mehr. Selbst eine einzelne ECC83 Doppel-Triode wird für 200€ angeboten. Was ist Fakt und was ist Fiktion bei diesen Preisen? Ein teurer Röhrenverstärker sollte besser aussehen als ein billiger Röhrenverstärker, soweit dürften alle noch zustimmen. Ob ein teurer Röhrenverstärker auch besser klingt als ein billiger Röhrenverstärker ist eine schwierige Frage. Zuerst einmal ist zu klären was dieses "klingt besser" überhaupt bedeutet. Der Black Cat Röhrenverstärker der TU Berlin versucht die Ursache des guten HiFi Klanges eines Röhrenverstärkers zu ergründen. Was sind die Erkenntnisse? Anstelle von dem Klirrfaktor sind der Differenztonfaktor und der Intermodulationsfaktor wichtig für den subjektiven guten Klang. Für die Klirrfaktor-Messung wird ein Sinuston durch den Verstärker geschickt. Bei einer Intermodulationsmessung werden zwei unterschiedliche Sinustöne durch den Verstärker gejagt. Im Idealfall kommen auch nur zwei Sinustöne aus dem Verstärker heraus. In der Praxis entstehen viele Mischprodukte. Laut TU Berlin produziert ein Röhrenverstärker weniger von diesen Intermodulations-Mischprodukten.
Die Hochschule Regensburg untersucht Gitarrenverstärker. Hier gibt es noch nicht so viele Erkenntnisse wie beim Thema HiFi-Verstärker. Besonders die Abgrenzung zwischen Effekt-Gerät mit erwünschten Verzerrungen und linearen Verstärker ohne Verzerrungen fällt beim Gitarren-Röhrenverstärker schwer. Eine Erkenntnis ist der Einfluß von Induktivitäten am Verstärker-Eingang und -Ausgang auf den Klang. Der Gitarren pick up ist eine Induktivität, der Lautsprecher ebenfalls. Besonders der Klang eines Röhrenverstärkers ohne Gegenkopplung läßt sich durch die angeschlossenen Induktivitäten verändern.

Kondensator

Prof. Dr.-Ing. Manfred Zollner von der Hochschule Regensburg schimpft, nach Meinung des Autors zu Recht, über den Kondensator-Hype. Die im "Arme Leute" Röhrenverstärker eingebauten Kondensatoren und Elkos sind normale Ware. Teure Kondensatoren sind in einem Niederfrequenzverstärker nicht besser als normale Ware. Nach Hr. Zollner gibt es nur einen Fakt in der ganzen Kondensator-Fiktion: Wird eine Draht in einem frei verdrahteten Röhrenverstärker bewegt, ändert sich die Kapazität zwischen diesem Draht und allen umliegenden Bauteilen. Eine Änderung der Draht zu Umgebung Kapazität kann eine Klangänderung bewirken, wenn sich die Eingangskapazität der Elektronenröhre ändert. Bei einem Verstärker ohne Rückkopplung ist dieser Effekt stärker als bei einem Verstärker mit Gegenkopplung. Wenn der Kondensator nicht vor dem Austausch defekt war, dann hätte man die Klangänderung durch den Super-Duper Kondensator auch alleine durch Bewegen des Drahtes im Verstärker bewirken können.

Elektronenröhre

Wenn Kapazitäten am Eingang der Röhre so wichtig sind, was passiert eigentlich beim Röhrentausch? Eigentlich das Gleiche wie beim Bewegen eines Drahtes im Verstärker. Aufgrund der Fertigungstoleranzen hat jede Röhre etwas andere Eingangskapazitäten. Diese Unterschiede gibt es zwischen einzelnen Röhren, egal ob die Röhren von einem Hersteller oder von unterschiedlichen Herstellern stammen. Wenn jemand schreibt: "seit dem ich die ECC83 von Firma XY in meinen Verstärker benutzte, klingt der Verstärker besser", dann mag dies für den Einzelfall korrekt sein. Es dürfte aber nicht korrekt sein, das jede Röhre von Firma XY jedem Verstärker einen besseren Klang gibt. Das Bild unten zeigt zehn verschiedene Versionen der Doppel-Triode ECC83 aus aktueller Produktion. Der Versandhändler Antique Electronic Supply bietet diese Varianten der ECC83 als T-12AX7-SET für 99,95 US-$ an. Es ist gut möglich das in einem Verstärker nicht jede der zehn Röhren auch gleich klingen. Welche Röhre in welchem Verstärker für welchen Hörer nun besser klingt dürfte mehr ein Zufallsergebnis sein als alles andere. Meine Empfehlung: Bevor jemand 100 US-$ für eine einzige ECC83 Röhre ausgibt, sollte er das Set mit zehn Röhren kaufen und die Röhren durchprobieren. Das nur Röhren aus der Produktion vor 1965 gut klingen ist ein Irrglaube. So wie früher Valvo und Telefunken ihr Handwerk verstanden, so verstehen heute Sovtek und Electro-Harmonix die Röhrenherstellung. Es ist kein "magisches" Wissen über die Röhrenherstellung verloren gegangen.



Bild: 10 Röhren vom Type ECC83 aus aktueller Produktion.

Übertrager

Der Ausgangsübertrager ist oft das teuerste Bauteil in einem Röhrenverstärker. Der "Arme Leute" Verstärker benutzt einen Netztrafo als Ausgangsübertrager. Was sind die Fakten bei einem Ausgangsübertrager? Der Ausgangsübertrager ist im Vergleich zum Kondensator ein kompliziertes Bauteil. Bei gleichem Äußeren kann der innere Aufbau recht unterschiedlich sein. Die unterschiedlichen Qualitäten eines Übertragers lassen sich messen. Ein guter Übertrager sollte den ganzen HiFi Frequenzbereich von 20Hz bis 20kHz übertragen. Die magnetische Kopplung zwischen den einzelnen Wicklungen sollte möglichst gross sein. Die magnetische Kopplung zwischen der ersten Primärwicklung und der Sekundärwicklung sollte genauso groß sein wie die magnetische Kopplung zwischen der zweiten Primärwicklung und der Sekundärwicklung. Der Übertrager sollte bei keiner Frequenz mechanische Bewegungen ausführen die z.B. als Brummgeräusche zu hören sind.
Qualitätsunterschiede zwischen Ausgangsübertragern werden schon im Datenblatt angegeben. Der günstige Übertrager Hammond 125D von z.B. Tube-Town hat einen Frequenzbereich von 150Hz bis 15kHz. Der teure Übertrager Hammond 1608 hat einen Frequenzbereich von 30Hz bis 30kHz. Dieser Unterschied im Frequenzgang ist nicht nur messbar, sondern auch hörbar. Beim Ausgangsübertrager steigt die Qualität mit dem Preis. Mit dem Hammond P-T1608 oder dem Reinhöfer electronic Übertrager 53.55 erreicht man schon eine sehr gute Klangqualität. Nach Meinung des Autors ist ein Ringkern- oder Schnittbandkern-Ausgangsübertrager nicht nötig. Der Ringkern-Übertrager VDV8020PP von Amplimo dürfte nicht besser klingen als die beiden empfohlenen Übertrager. Der Preis ist aber deutlich höher.
Ein Netztrafo als Ausgangsübertrager dürfte einen Frequenzbereich wie der Hammond 125D haben. Ein Gegentakt-Ausgangsübertrager benötigt übrigens keinen Luftspalt. Der Ruhestrom der Endpentoden ist ein Gleichstrom und erzeugt im Ausgangsübertrager ein konstantes Magnetfeld. So weit, so richtig. Die beiden konstanten Magnetfelder arbeiten gegeneinander und heben sich dadurch auf. Die Gleichstrombelastung eines Gegentakt-Übertragers ist somit nicht die Summe der Ruheströme der Endröhren, sondern die Differenz der Ruheströme. Die Differenz der Ruheströme liegt bei maximal 20% eines einzelnen Ruhestromes, auch bei "unmatched" Röhren. Eine solche kleine Gleichstrombelastung verträgt auch ein Kern ohne Luftspalt ohne in die magnetische Sättigung zu gehen. Im schlimmsten Fall wählt man den Ausgangsübertrager eine Nummer größer um die Gleichstrombelastung "wegstecken" zu können. Der Hammond 1608 ist für 10VA ausgelegt, der im Arme Leute Verstärker als Ausgangsübertrager eingesetzte Netztrafo verkraftet 14VA.

Simulation von Röhrenverstärker mit LTSpice

Die Entwicklung der Röhrenverstärker war nicht schwer, es gibt genügend viele Vorlagen. Die Arme Leute Schaltungen sollten aber auch mit LTSpice simuliert und optimiert werden. Von Norman L. Koren gibt es die Internet Seite Finding SPICE tube model parameters. Auf dieser Seite wird gezeigt, wie aus einem Datenblatt die nötigen Spice Parameter herausgelesen werden. In einem zweiten Schritt werden die Parameter dann LTSpice eingegeben damit LTSpice das Verhalten der Röhren in der Schaltung simulieren kann.
Die folgenden zwei Bilder zeigen die Spice Simulation von der ECC83 und EL84. Die Kreise oder Kreuze im Diagramm sind Koordinaten aus den Philips Datenblättern von 1953. Die Kurvenscharen zeigen die Kennlinien des Röhren-Modells. Die Übereinstimmung ist gut.



Röhren Parameter ermitteln für Spice

Das Matlab Programm TuParam.m von Norman Koren läuft bei dem Autor unter Matlab 5. Zur Installation des Programmes wird die Zip Datei roehrenverstaerker.zip ausgepackt. Im Unterverzeichnis Matlab finden sich einige m-Dateien. Die ECC83.m Datei hat folgenden Inhalt:

TubeName = 'ECC83';
Source = 'Philips Datenblatt 1953';
MU=100; VCT = 0.9;
Vpmax = 250;  VGP = -1:-0.5:-4;  VGTRI = -1:-0.5:-4;
Vp =    [150    150   150    200   200   200   200    250    250    250   250   250];
Vg =    [-1     -1.5  -2     -1    -1.5  -2    -2.5   -1     -1.5   -2    -2.5  -3];
Idata = [.00123 .0005 .00015 .0022 .0012 .0005 .00012 .0033  .00217 .0012 .0005 .00017];

Aus dem Datenblatt wird für eine Anodenspannung Vp die Steuergitterspannung Vg und der Anodenstrom Idata abgelesen und in die Datei ECC83.m eingetragen. Die Werte für MU und VCT sind Startwerte für den Lösungsfinder (solver) in TuParam.m. Für die meisten Röhren ist VCT=0 ein passender Wert, nur die ECC83 benötigt einen anderen Wert.
Die EL84 als Pentode benötigt zusätzlich die Schirmgitterspannung Vs. Hier wird die EL84.m Datei gezeigt:

TubeName = 'EL84';
Source = 'Philips Datenblatt 1953';
MU = 19;
Vpmax = 250;  VGP = -6:-2:-10;  VGTRI = -60:-2:-60;
Vs =    250;
Vp =    [100  100  100  150  150  150  200  200  250  250 ];
Vg =    [-10  -8   -6   -10  -8   -6   -10  -8   -10  -8  ];
Idata = [.019 .038 .059 .020 .039 .061 .021 .040 .022 .042];

Das Matlab Programm TuParam.m erzeugt Parameter für Spice. Zusammen mit den Kapazitätswerten Cag1, Cg1, Ca aus dem Datenblatt ergeben sich die Spice Datensätze:

* Philips Datenblatt 1953  18-Jul-2011
.SUBCKT ECC83  1 2 3 ; P G C (Triode)
XV1 1 2 3 TRIODE
+ PARAMS: MU=107.59  EX= 1.798  KG1=2562.3  KP=625.40
+ KVB= 300.0  VCT=  0.90
+ Cag1=1.7P Cg1=1.6P Ca=0.5P Rg1=10k
.ENDS

* Philips Datenblatt 1953  18-Jul-2011
.SUBCKT EL84  1 2 3 4 ; P G1 C G2 (Pentode)
XV1 1 2 3 4 PENTODE
+ PARAMS: MU= 19.15  EX= 1.350  KG1= 628.8  KP=258.72   KG2= 4500
+ KVB=  27.1  VCT=  0.00
+ Cag1=0.5P Cg1=10.8P Ca=6.5P Rg1=10k
.ENDS

Röhren Modelle in LTSpice bekanntmachen

Diese Spice Datensätze gehören in die Datei tubes.lib. Diese Datei ist im Unterverzeichnis LTSpice von roehrenverstaerker.zip zu finden. Um die graphische Darstellung im Layout-Editor von LTSpice mit dem Spice Modell zu verbinden sind die Dateien pentode.asy und triode.asy nötig. Die Datei potiometer.asy ist die graphische Darstellung des Spice Modells divider.sub, eines einstellbaren Spannungsteilers. Damit LTSpice die Dateien findet, müssen einige Dateien im LTSpice lib Unterverzeichnis abgelegt werden. Bei normaler Installation ist dieses Unterverzeichnis unter C:\Programme\LTSpiceIV zu finden. Das Unterverzeichnis Ham ist kein Standard LTSpice Verzeichnis und muss zuerst erzeugt werden.

Dateien
 nach Verzeichnis
divider.sub
 LTspiceIV\lib\sub
*.asy
 LTspiceIV\lib\sym\Ham

Die  *.asc Dateien enthalten die LTSpice Layouts für die Arme Leute Röhrenverstärker und das Netzteil.