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Elektrische Funktionsweise von Elektronenröhren (Trioden) am Beispiel eines A-Verstärker
Die zugrunde liegenden Zusammenhänge sind meißt ganz einfach, Sie werden sehen:
Es beginnt mit elektrischem Gleichstrom -wie aus einer Batterie, der durch zwei Widerstände fließt, die sich in einer Reihe befinden -> Widerstand R1 und R2.
Widerstand R1 und R2 besitzen gleiche Werte von beispielsweise 100 Ohm. 10 Volt + liegen am Widerstand R1 an. Widerstand R2 endet auf dem zugehörigen Minuspol. Am Verbindungspunkt von R1 und R2 sind zB. gegen Minus nun 5 Volt messbar, da sich die Spannung über gleiche Widerstände in Reihe, auch gleich aufteilt.
Ändert man nun einen Widerstand in seinem Wert wird sich die am Mittelabgriff gemessene Spannung auch ändern.
Wird beispielsweise der Widerstand R2 verkleinert, und ist damit weniger wirksam als zuvor, fällt die Spannung am Mittelabgriff gegen Minus gemessen, niedriger aus.
Wäre der Wert R2 hingegen größer als R1, ist die Spannung am Abgriff entsprechend höher 5 Volt. Es kommt auf das Verhältnis aus R1 und R2, in diesem Spannungsteiler aus zwei Widerständen an.
Eine gemeine Vakuum-Elektronen-Röhre ist zunächst nichts anderes als ein Widerstand. Sie ersetzt nun R2.
Die Röhre besteht aus einem luftleeren Glas oder Metallkörper mit nach innen geführten Kontakten die sich elektrisch nicht berühren.
Damit diese Konstruktion leitend wird, muß einer der beiden Anschlüsse mit freien Elektronen versorgt werden, und dieser Anschluß nach Minus weisen. (Kathode)
In Kathodennähe glüht deshalb eine kleine elektrische Heizung.
Sie versprüht in das Vakuum freie, zum Ladungstransport geeignete Elektronen.
Die Röhren-Heizung wird mit vergleichsweise geringer Spannung betrieben. Bei (E) Röhren wie der ECC82 sind es 6,3 Volt, bei älteren (P) Typen wie die PL36 ist statt dessen der erforderliche Heizstrom die Bezugsgröße. Für die PL36 sind 0,3A Heizstrom vorgegeben, die sich im Beispiel bei 25V Spannung einstellen. Ob eine Röhrenheizung mit Gleich- oder Wechselstrom betrieben wird ist soweit egal.
Der "obere" Kontakt der Röhre, die Anode, sackt nun die einfliegenden Elektronen der beheizten Kathode ein,
da der über Widerstand (R1) angeschlossene Pluspol wie eine Saugpumpe die Elektronen anzieht.
Durch diesen Aufwand gelangt der Strom durch die Röhre. Elektronenröhren sind elektrische Widerstände in Größen über 1000 Ohm. Um einen wirksamen Strom zu erzielen benötigt man daher hohe Betriebsspannungen, oft über 100 Volt.
Über einen weiteren Kontakt an der Röhre, dem Steuergitter läßt sich der Innenwiderstand der Röhre stufenlos erhöhen. So kann man nun den Widerstand, vormals R2 im Spannungsteiler, beliebig und flink ändern.
Jede geringfügige Änderung am Steuergitter bewirkt somit im "Spannungsteiler-aus-zwei-Widerständen" eine angemessene Spannungsänderung am Mittelabgriff, -dem Anodenanschluß.
Die Röhre läßt sich auch als "veränderbarer Widerstand R1 " im oberen Teil des Spannungsteiler verwenden. Der Abgriff erfolgt nun an der Kathode.
Röhre 1 als Vorverstärker mit Auskopplung an der Anode. Röhre 2 als Phasenumkehrstufe mit Ausgangs-Auskopplung an Kathode und Anode.
Es fällt (vorweg genommen) auf, daß die Signalkurve im Schaltungsverlauf ihre Lage ändern kann: Der Kathodenabgriff liefert Spannungen getreu dem Steuergitter-Eingang. Ein Spannungs-Anstieg am Gitter hebt gleichsam die Kathodenspannung an, -und umgekehrt.
Am Anodenabgriff hingegen erscheinen die Steuergitter-Spannungswerte genau entgegengesetzt, invertiert, oder 180° phasengedreht, was unter anderem Namen immer das Selbe beschreibt.
Veränderbare Reihenschaltungen von Widerständen, wie der beschriebene Spannungsteiler sind kein "Röhren-Privileg". Sie funktionieren mit Transistoren soweit genau so. In pergo soll die Funktionsweise im Zusammenhang mit Röhreneigenschaften weiter aufgezeigt werden:
Eine Verstärkerröhre verfügt also mindestens über einen Kathodenanschluß (k), und der zugehörigen Heizung mit den Anschlüssen (f) und (f), der Anode (a) und dem Steuergitter (g1). Weist die beheizte Kathode zum Minuspol und befindet sich an der Anode eine positive Spannung, fließt ein gleichmäßiger, dem Innenwiderstand angemessener, maximaler Strom durch die Röhre. Das Steuergitter hängt wie ein Sieb im Elektronenstrom zwischen Kathode und Anode und ist noch unbeschalten.
A Um den Widerstand in der Röhre zu erhöhen, wird dem Steuergitter nun eine Spannung auferlegt die negativer ist als die an 0 Volt angeschlossene Kathode; zB. minus 10 Volt. Die freien Elektronen der beheizten Kathode "erkennen" die positive Anode nicht (oder fast nicht) wenn ein ausreichend negativ beschaltenes Gitter im Weg steht.
Es fließt wenig Strom, die Röhre sperrt (mal angenommen) mit einem Widerstand von 6 kOhm. Widerstand R1 ist hier mit 3 kOhm festgelegt. Der Abgriff zwischen R1 und Röhre stellt dabei 67 Volt.B Steigt die Spannung am Steuergitter von -10 auf 0 Volt an, strömen die Elektronen nun ohne Gitterhindernis durch die Röhre. Ihr Innenwiderstand fällt dabei auf niedrigsten Wert von beispielsweise 3 kOhm. Im Spannungsteiler mit nun zufällig gleichen Widerständen aus R1 und Röhre stehen am Abgriff dabei 50 Volt an.
Um u.a. die Vorspannung am Gitter zu erhalten und nicht auf angrenzende Stufen abfließen zu lassen, benötigt man Koppelkondensatoren. Kondensatoren sperren den Gleichstrom der Betriebsspannung ab, bleiben aber für Wechselströme wie z.B. dem elektrischen Tonsignal, durchlässig.
| ... soweit noch unklar? |
Der kapazitive Wert des Koppelkondensator legt die untere Frequenz fest, die daselbst noch hindurchpasst. Geeignet sind, der "kalten" Betriebsspannung angemessene Folienkondensatoren wie MKS, MKT. Untauglich sind Elektrolyt- / Tantalkondensatoren sowie teuerdreister Mumpitz. Mit 15-50n in Vorstufen und 50-100n vor Endstufen liegt man hier eher richtig.
Liegt nun neben der negativen Gittervorspannung auch ein (Ton) Signal am Gitter an, addiert sich dessen wechselhafter Spannungswert stets aktuell dieser negativen Gitterspannung auf. Damit schwankt die negative Gitterspannung jetzt um den Wert der Wechsel-Signalspannung. Die negative Gittervorspannung ist im gröbsten Fall so zu wählen, daß bei höchsten Pegelspitzen am Eingang keine positive Spannung am Steuergitter entstehen kann, und bei tiefstem Pegel die Röhre gerade sperrt. Es bleibt also Platz damit höchste und niedrigste Signalspitzen passieren können.
Diese Festlegung gilt nicht zwingend für Gegentaktendstufen. Hier werden Arbeitspunkte gewählt, die zudem das phasengedrehte Signal beider Endstufenhälften möglichst spiegelgleich erscheinen lassen. Bei Klasse-B Verstärkern ist der Ruhestrom nahe Null gesetzt damit jeweils nur eine Halbwelle pro Endstufenhälfte verstärkt, und im gemeinsamen Ausgangsübertrager wieder zusammengesetzt wird.
Bei einem Audioverstärker ist grundsätzlich verzerrungsarme Wiedergabe erwünscht. Jede Beeinflussung der Signalkurve im Schaltungsverlauf, von der reinen Verstärkung abgesehen, bedeutet eine Veränderung am Klang. Die Ursachen der Veränderung, also Verzerrung des Signal sind vielschichtig. Das Maß der Beeinflussung wird im Klirrfaktor ausgedrückt. Arbeiten Verstärker an der Leistungsgrenze, ist der Klirr am größten.
Die Röhren- Kennlinien aus negativer Gitterspannung (Vg) und erzieltem Stromfluß durch die Röhre (Ia) bei angenommenen Anodenspannungen (Va) von 250V/200V/170V oder 100V sind leider nicht durchgehend diagonal, was auf ein in allen Spannungslagen gleichmäßiges Verstärkungs-Verhalten schließen lassen würde, sondern parabelförmig. Damit wird deutlich, daß nicht über den gesamten Steuerbereich der Röhre, also von totaler Sperrung bis positivem Gitterstrom eine lineare Verstärkung, entsprechend dem Eingangssignal erwartet werden kann. So wählt man praktisch einen Bereich innerhalb der Röhrenkennlinie aus, der möglichst gerade und diagonal verläuft. Ist der verwendete Kennlinien-Bereich an den Enden bereits verbogen, werden zunehmend starke Pegel im Eingangssignal mit einem anderen Stromfluß durch die Röhre behandelt als ihnen "zusteht".
Zwei weitere Bauelemente zur Beschaltung von Verstärkerröhren sind erstens: der Gitterableitwiderstand. Für die Wechsel-Signalspannung ergibt er mit dem Koppelkondensator einen Spannungsteiler, dessen Abgriff an das Steuergitter führt. Dieser Spannungsteiler bestimmt im wesentlichen den Eingangswiderstand, (für die Signalspannung) und damit die Empfindlichkeit der beteiligten Stufe.
Zur einfachen Gewinnung negativer Gittervorspannung fügt man zweitens unterhalb der Kathode einen weiteren Widerstand ein. Die Kathode ist nun entsprechend dem Spannungsabfall an diesem Kathodenwiderstand positiver als Masse (bzw. Minus). Das Gitter hat über den Gitterableitwiderstand massebezug. Der eher hohe Wert etwa 1 Megaohm des Ableitwiderstand zählt nicht, da am Gitter selbst soweit kein Strom abfließt. Die Kathode ist dadurch nun "positiver" als das Gitter, oder anders ausgedrückt: das Gitter "negativer" als die Kathode. Der Wert des Kathodenwiderstandes legt die Höhe der negativen Gittervorspannung fest.
Wie ist das zu verstehen?
Zunächst wieder als Spannungsteiler aus hier gleichen Widerständen an 100 Volt, mit den zugehörigen Messwerten.
Im Fall einer Röhre als R1, liegen an der Kathode beispielgebend weiterhin 50 Volt an. Das Steuergitter ist mit Masse, also 0 Volt verbunden, und die Spannung am Gitter damit 50 Volt niedriger als an der Kathode. Das Steuergitter ist mit -50 Volt vorgespannt.
Praktisch befindet sich in der Verbindung: "Steuergitter an Masse" ein hochohmiger Gitterableit-Widerstand R3, um das am Steuergitter anliegende Ton-Signal nicht gegen Masse zu verlieren.
Wäre ein Kontakt des Gitterableit-Widerstand R3 nicht angeschlossen und baumelt "frei im Wind", ist über diesen Widerstand natürlich keine Spannung messbar. Der obere Kontakt an R3 hat gleiches Potenzial wie der untere an R3, wenn auch hochohmiger, nämlich Masse.
Da das Röhrengitter nahezu nicht leitet und der Koppelkondensator ebenfalls keinen Gleichstrom transportieren kann, hängt der obere Anschluß an R3 so gesehen immer noch im Wind und legt so das Steuergitter auf Massepotenzial.
Der Kathodenwiderstand R2 bestimmt folglich die Höhe der negativen Gittervorspannung. Diese mit nur einem Bauteil erzeugte "automatische Gitterspannung" wird vorzugsweise in "A" Verstärkern verwendet.
Anderenfalls, bei "fester Gitterspannung" wird die negative Vorspannung aus gesonderter Quelle bezogen und am Gitter angelegt. In manchen Eingangsstufen wird die Vorspannung einzig durch: "Gitter-Anlaufstrom" erzeugt. Innerhalb der Röhre wird vom Elektronenstrom Kathode->Anode ein kleiner Teil der Gitter-Elektronen mitgerissen. Dabei genügt dieser Elektronenabzug vom Gitter um eine negative Vorspannung anzustauen.
Weiter bestimmt der (wenn auch geringe) Gitterstrom den möglichen Maximalwert für den Gitter-Ableitwiderstand. Daher ist im Datenblatt zur Röhre der zulässige Höchstwert des Steuergitter-Ableitwiderstand (RG1) festgelegt.
Dieser zweistufige Verstärker beinhaltet nun alle aufgezeigten Elemente aus Röhre, Anodenwiderstand (R1), Kathodenwiderstand (R2), Gitterableitwiderstand (R3) und Koppelkondensator (C1).
In der Widerstands-Reihenschaltung, bestehend aus R1+Röhre+R2 quittiert die Röhre jede Änderung am Steuergitter-Eingang bekanntlich mit entsprechender Spannungsverschiebung am Anoden- und Kathodenanschluß.
Die Wechselspannungsanteile, oder verursachten Spannungsschwankungen am Anodenanschluß stellen hier über beide Stufen den Verstärkter-Ausgang.
Die Wechselspannungsanteile an den Kathoden-Anschlüssen sollen im Schaltungs-Beispiel jedoch unterbunden sein. Eine über den Kathodenwiderstand (R2) gewonnene "negative Gittervorspannung" wäre angesicht der tonfrequenten Spannungshübe instabil, -sie würde entsprechend mitschwanken. Parallel zum Kathodenwiderstand (R2) ist daher nun ein Kondensator (C2) wirksam, welcher die dortigen Spannungswechsel nivelliert, bzw. auspuffert.
| ... soweit noch unklar? |
Jetzt fehlt nur noch eine leistungsfähige Endröhre mit Lautsprecher.
Bei Ansteuerung mit Musik an einem geeigneten Lautsprecher (größer 1 Kiloohm und gleichstrombelastbar!) wäre das eine funktionierende Röhren- Endstufe.
Bei direktem Anschluß normaler Lautsprecher wäre der Spannungsteiler aus R1 und R2 wirkungslos. Aufgrund des niederohmigen Lautsprecher als (R1) und der hochohmigen Röhre (R2) würde sich am Messpunkt die Spannung von der Betriebsspannung 100 Volt kaum unterscheiden können. Die wirksame Wechsel- Spannung am Lautsprecher ist damit sehr gering. Um den Spannungsteiler voll auszunutzen, müßte die Röhre ähnlichen Widerstand wie der Lautsprecher aufweisen. Solch niederohmige Röhren gibt's nicht. Auch wäre die Spule des Lautsprecher durch den Ruhestrom gefährlich vorbelastet. Gleichströme durch Lautsprecher (und Kopfhörer) sind idR. nicht zulässig.
Um normale Lautsprecher verwenden zu können, bedarf es eines Anpasstrafo. Dieser Ausgangsübertrager (externer Link) besitzt im einfachsten Fall zwei getrennte Wicklungen verschiedener Windungszahl um einen Eisenkern. Die vielzahlige, und damit hochohmige Primärwicklung überträgt magnetisch die verstärkte Signalspannung auf die niederohmige Sekundärseite. Dort kann nun ein Lautsprecher angeschlossen werden...
Es ist unerläßlich zumindest grob auf Gefahren hinzuweisen, die sich im Umgang mit Röhrenschaltungen ergeben:
Die hierbei verwendeten Betriebspannungen sind mit etwa 400 Volt enorm hoch! Ein unbedachter Eingriff kann tödlich enden!
Kondensatoren speichern aufgebaute Ladung über lange Zeit. Bei gezogenem Netzstecker und nach Tagen kann hier durchaus gefährliche Spannung lauern!
Das man an einer Schaltung nur spannungslos herumbastelt, sollte soweit klar sein. Ist das nicht möglich, um zB. Messungen auszuführen, -nur mit einer Hand arbeiten. In den Rundfunkbuden hieß es damals: "Die linke Hand bleibt in der Kitteltasche !!!"
Kondensatoren, Widerstände und Leitungen müssen den darüber wirksamen Spannungs- / Stromgrößen sowie den thermischen Anforderungen vorbehaltlos standhalten.
Lötstellen, Bauteile und Kabel sollen so ausgeführt, bzw. befestigt sein, daß ein Transport über Kopfsteinpflaster im Auto-Anhänger möglich wäre.
So ist auf Abstand zwischen den Bauelementen zu achten. Ein glühender Anodenwiderstand zB. darf keine Kettenreaktion auslösen.
Überlegen Sie mindestens zweimal was Sie tun, bevor Sie es tun. Ggf. schlafen Sie eine Nacht darüber. Das kommt eminent entspannter, als der abgerauchten Schaltung hinterher zu grübeln.
Verwenden Sie beim Basteln mit Röhren unbedingt einen Trenntrafo! Nie mit direkter Netzspannung arbeiten!
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Die bisherigen Betrachtungen waren meist spannungsbezogen. Der Stromfluß zur Spannung, und damit die verfügbare Leistung ist vom Widerstand wie folgt abhänig: I = U / R Stärkster Strom fließt demnach bei größter Spannung über geringsten Widerstand. <- Strom/Spannung/Widerstand - ein Lowlevel Modell
So könnten zum Beispiel 10 Volt an einem 100 Ohm Widerstand anliegen: I = Strom (in Ampere) U = Spannung (in Volt) R = Widerstand (in Ohm) I, der Strom errechnet sich aus: 10 Volt geteilt durch 100 Ohm Strom = 0,1 Ampere (100mA) Diese 0,1 Ampere (100mA) sind der einzig mögliche Stromfluß bei 10 Volt an einem 100 Ohm Widerstand! (Eine stabile Stromversorung ist vorausgesetzt)
Würde die Spannung nun von 10 Volt auf 100 Volt erhöht, so steigt der Strom bei gleichem 100 Ohm Widerstand derart: I = U / R Strom = 100 Volt / 100 Ohm Strom = 1 Ampere
durch einen um einiges höheren Widerstandswert wäre ein Stromfluß bei 100 Volt hingegen fast verhindert: I = U / R Strom = 100 Volt / 1.000.000 Ohm (1 Megaohm) Strom = 0,0001 Ampere (100µA)
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<-Datenblätter vieler Röhren (extern)
Novemkatz 2011
(2009)
