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Elektrische Funktionsweise von Elektronenröhren (Trioden) am Beispiel eines A-Verstärker

Es beginnt mit elektrischem Gleichstrom -wie aus einer Batterie, der durch zwei Widerstände fließt, die sich in einer Reihe befinden -> Widerstand R1 und R2.

... soweit noch unklar?

vorab ein Wassermodell ?

( interner Link )

 

Widerstand R1 und R2 sind hier gleich groß, -zB. jeweils 100 Ohm.

10 Volt + liegen am oberen Widerstand R1 an.

Widerstand R2 endet auf dem zugehörigen Minuspol.

 

1.) Am Verbindungspunkt von R1 und R2, dem Mittelabgriff sind zB. gegen Minus 5 Volt messbar, da sich die Spannung über gleiche Widerstände in Reihe, auch gleich aufteilt.

Ändert man jetzt einen Widerstand in seinem Wert wird sich die am Mittelabgriff gemessene Spannung auch ändern.

2.) Wird beispielsweise der Widerstand R2 verkleinert, und ist damit weniger wirksam als zuvor, fällt die Spannung am Mittelabgriff gegen Minus gemessen, niedriger aus.

3.) Wäre der Wert R2 hingegen größer als R1, ist die Spannung am Abgriff entsprechend höher 5 Volt.

Es kommt somit 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 Widerstand R2.

Die gemeine Vakuum-Elektronen-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.

Dieser Röhren-Kontakt heißt: Kathode

... oder auch: "Katode" (entspr. späterer Schreibweise)

 

In Kathodennähe glüht deshalb eine kleine elektrische Heizung.

Sie versprüht in das Vakuum freie, zum Ladungstransport geeignete Elektronen.

Röhren-Heizungen werden mit vergleichsweise geringer Spannung betrieben. Bei (E) Röhren wie der ECC82 sind es 6,3 Volt, bei "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 innerhalb der Röhre, die Anode, sackt nun die einfliegenden Elektronen dieser 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, meißt über 100 Volt.

Diese Röhre, bestehend aus beheizter Kathode und Anode ist bereits ein taugliches Bauelement, ein Gleichrichter, genauer gesagt: eine (Vakuum) Röhren-Diode, denn der Strom kann nur in einer Richtung hindurch.

Über einen weiteren Röhrenkontakt, welcher nunmehr zu einem zwischen Kathode und Anode angeordneten, siebähnlichen Steuergitter 
führt, läßt sich jetzt der Widerstand: "Röhre", von außen, unabhänig, stufenlos und flink,
im Wert verändern, erhöhen, um genau zu sein.
Erst dieses Steuergitter macht die gemeine Vakuum- Röhre zur Verstärkerröhre.

Jede geringfügige Spannungs-Änderung am Steuergitter bewirkt im "Spannungsteiler-aus-zwei-Widerständen" aus Widerstand R1 und Röhre als R2 eine davon abhänige Spannungs-Verschiebung am Mittelabgriff, -  dem Anodenanschluß der Röhre. Denn die Röhre ist nun ein, per Steuergitter veränderbarer Widerstand im Spannungsteiler. -und ändert man den in seinem Wert, wird sich die Spannung am Mittelabgriff auch ändern... Diese Konstruktion führt ganz nebenbei, zur ersten Grundschaltung, der Kathoden-Basisschaltung -denn die Röhren-Kathode steht auf fester Basis.

Es bedarf dann letztlich nur noch etwas Drumherum, um die Röhre in eine arbeitsfähige Betriebslage zu versetzen, und diesen Zustand nach außen abzusichern, -dazu später mehr.

In einer weiteren Grundschaltung befindet sich die Röhre als veränderbarer Widerstand im oberen Teil des Spannungsteiler. Hier hat nun die Röhren-Anode Bezug zu einer festen Basis, zu +. Daher die Bezeichnung: Anoden-Basis-Schaltung.  Ein anderer, weiterer Name für die Anoden-Basis-Schaltung ist Kathodenfolger da der Abgriff an der Kathode erfolgt.  Der Kathodenabgriff liefert dabei Spannungsänderungen getreu dem Steuergitter: 

Ein Spannungs-Anstieg am Gitter hebt gleichsam die Spannung an der Kathode an, -und umgekehrt, die Spannung an der Kathode folgt der Eingangsspannung am Steuergitter.


Anders verhält es sich bei der zuvor erwähnten Kathoden-Basis-Schaltung. Am Abgriff zwischen Anodenwiderstand und Röhre erscheinen die gleichen Eingangs-Steuergitter-Spannungswerte genau entgegengesetzt, invertiert, oder 180° phasengedreht, was unter anderem Namen immer das Selbe beschreibt. 




 

Röhre 1 als Vorverstärker mit Auskopplung an der Anode. Röhre 2 als Phasenumkehrstufe mit Ausgangs-Auskopplung an Kathode und Anode. 

Nächster Abschnitt

Veränderbare Reihenschaltungen von Widerständen, wie der zuvor aufgezeigte Spannungsteiler sind kein "Röhren-Privileg". Sie funktionieren mit Transistoren soweit genau so. Beispielgebend soll nun die Funktionsweise im Zusammenhang mit Röhreneigenschaften weiter ausgeführt 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).

Derartige Röhren mit 3 Elektroden, (die Heizung zählt nicht, sie ist nur Mittel zum Zweck)

werden Triode genannt.

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, und somit wirkungslos.

 

 

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.

A Die freien Elektronen der beheizten Kathode finden die positive Anode nicht (oder fast nicht) wenn ein ausreichend negativ beschaltenes Gitter im Weg steht. Es fließt folglich wenig Strom, denn 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 somit 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.

Damit lassen sich im Beispiel mit 10 Volt Spannungsunterschied am Gitter (-10 Volt bis 0 Volt), ganze 17 Volt Spannungsunterschied am Anodenanschluß (50 Volt bis 67 Volt) bewegen. Es findet hier eine (wenn auch geringe) Verstärkung statt.

Je näher also die negative Gitterspannung (Vg) an 0 Volt gelangt, desto geringer wirkt das Gitterhindernis in der Kathoden-Anodenstrecke, die Leitfähigkeit der Röhre steigt. Eine Gitterspannung größer Null Volt, also eine positive Gitterspannung ist idR schädlich. Es fließt ab dem ein Gitterstrom und der bleibt im wesentlichen den fetten Sende-Röhren an dabei lebensgefährlich hoher Anodenspannung vorbehalten.

Im anderen Fall: bei -10 Volt am Gitter und einer Anodenspannung (Va) = 100 Volt wäre diese Röhre hingegen längst gesperrt. Ist die Gitterspannung nun auf beispielsweise -3 Volt festgelegt, also das Gitter mit -3 Volt vorgespannt, fließt ein mittlerer Strom (Ia) von knapp 5 mA durch die Röhre. Dieser Strom der sich bei bestimmter Gittervorspannung (ohne eine anliegende Signalspannung) einstellt, ist der berühmte Ruhestrom oder auch BIAS. Die Festlegung der Gittervorspannung ist röhrentyp- und schaltungsabhänig, sie bestimmt den Arbeitspunkt der Röhre.

Um die Vorspannung am Röhrengitter zu halten und nicht auf angrenzende Stufen abfließen zu lassen, benötigt man Koppelkondensatoren.

Kondensatoren halten den Gleichstrom zurück, sind aber für Wechselströme, wie z.B. dem elektrischen Tonsignal durchlässig.

... soweit noch unklar?

LowLevel - Koppel-C

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 100n-1µ vor Endstufen liegt man meißt richtig.

Liegt nun neben der negativen Gittervorspannung auch eine Ton-Signalspannung am Gitter an, addiert sich deren wechselhafter Spannungswert stets aktuell der negativen Gittervorspannung auf. Damit schwankt die festgelegte negative Gittervorspannung jetzt um genau diese Spannungs-Größe:

Der über den Koppelkondensator zugeführten (Wechselspannungs-) Ton- Signalspannung.

... soweit noch unklar?

Signalspannung

Die negative Gittervorspannung könnte nun im gröbsten Fall so gewählt werden, daß bei höchsten Pegelspitzen am Eingang keine positive Spannung am Steuergitter-Eingang entsteht, und bei tiefstem Pegel die Röhre gerade sperrt. Es bleibt also Platz damit höchste und niedrigste Signalspitzen passieren können.

...nur:

Die Röhren- Kennlinien aus negativer Gitterspannungen (Vg) und dem dabei 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". 

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, an der Begrenzung, oder gar darüber hinaus ist der Klirr am größten:

(1)

Die Gitterspannungs-Anodenstrom (Trioden)-Kennlinie, und die damit verbundene Verzerrung läßt sich auch als: "Ein an den Enden gebogener Spiegel" verstehen.

Ein einwandfrei sinusförmiger Spannungsverlauf am Gitter-Eingang, zb. eine 100 Hz-Schwingung wird (bei voller Ausnutzung der Kenlinie) am Anodenanschluß (in etwa) wie gezeigt, verzerrt:

Die obere Halbwelle erscheint mit steigender Amplitude steiler, die untere Halbwelle ist dagegen abgeflacht.

Dieses Ausgangssignal enthält nun ganzzahlige Vielfache der Frequenz des Eingangsignal, als neu hinzugefügte Obertöne, oder auch:

Harmonische der Grundwelle

(die es am Eingang nicht gab)

Doch wie läßt sich soetwas nachvollziehen? -Ein kurzer Exkurs:

Die hier dargestellte Sinus-Schwingung schafft beispielgebend einen vollen Durchlauf innerhalb 10 Millisekunden und entspricht damit einer "100 Hertz" -Schwingung.

Diese 100Hz sollen hier als Grundschwingung verwendet werden und stellen damit die 1. Harmonische.

Auf einer Klaviatur entspricht dies dem Ton "G" (Taste 23).

Die Amplitude, beträgt hier 100%, also volle Aussteuerung.

 

ch

Die hier gezeigte 200 Hertz -Schwingung durchläuft zwei mal den gleichen 10 Millisekunden-Zeitraum.

Das entspricht dem Ton "g" (Taste 35), also genau eine Oktave höher.

200 Herz (g) sind die doppelt Frequenz von 100Hz (G) und stellen damit dessen 2. Harmonische.

Die Amplitude dieser 2. Harmonischen soll nur ein Viertel betragen, dieser Ton wird mit 25% Pegel gespielt.

 

Die folgende, dritte Harmonische, (gleicher Ton aus der nächst höheren Oktave) liegt bei 400Hz und soll mit 5% Pegelanteil schon erheblich leiser ausfallen.

Der Vollständigkeit halber wäre die 4., 5., 6. usw. Harmonische auch noch zu erwähnen, obwohl letztlich unhörbar, gehören sie auch noch mit dazu.

Fasst man diese drei Töne (3 Harmonischen) nun zusammen, schlägt sie also gemeinsam über drei Oktaven an, (im Beispiel G, g, g'), ergibt sich naturgemäß ein volleres Klangbild, als wenn allein der Grundton gespielt wäre.

 

Es kann nur Eine geben!

Jede der 3 übereinander liegenden Kurven liefert durchweg eigene, voneinander verschiedene Spannungen. Das kann nicht funktionieren, denn die Werte nivellieren sich untereinander.

Das Resultat dieses: "gegeneinander Spannung aufaddieren und subtrahieren, entsprechend der gerade vorliegenden Amplituden und Phasenlagen, in jedem Moment des gleichzeitigen Durchlaufes der blauen, roten und grünen Kurve und darüber hinaus", vermag die Fourier-Transformation zu beschreiben. (sprich:Furjee)

So ergibt sich entsprechend der Fourier-Signal-Analyse mathematisch eine gemeinsame Spannungs-Summenkurve. (schwarz)

 

Die obere Halbwelle ist dabei steiler und weiter ausgelenkt als die untere, abgeflachte Halbwelle.

O-Ha !

...das ist bekannt.

Das gleiche Bild wie wie bei der verzerrten Röhrenkennlinie:

I. Kurvenbild:

Diese verformte 100Hz sinus Schwingung wurde durch den ungleich gebogenen Kennlinienverlauf einer Triode verursacht .

Jede Frequenz, die diese verbogene Kennlinie durchläuft, verzerrt und produziert damit Harmonische, -ausnahmslos. Die verwendeten 100Hz waren nur ein willkürliches gewähltes Beispiel.

II. Kurvenbild:

Ein sauberer 100Hz sinus Ton wurde, unter "vorsätzlicher" Hinzufügung der 2. und 3. Harmonischen (200Hz@25% und 400Hz@5%) verfälscht.

Die Kurvenbilder I. und II sind identisch und klingen daher auch gleich. (eine gleich skalierte x- (Zeit) Achse ist vorausgesetzt)

Ausgesprochen hilfreich hierfür war und ist ein interaktives Skript, mit welchem Fourier-Synthesen bis zur 7. Harmonischen, graphisch ausprobiert werden können.

http://elektroniktutor.de/fachmathematik/fourier.html

 

Zurück zur eigentlichen Verstärkerschaltung

zwei Widerstände:

Der Gitterableitwiderstand ...

... legt zunächst das Steuergitter auf ein definiertes Spannungs-Potenzial, meißt sind das wie hier 0 Volt, also der Minuspol.

Für die Wechsel-Signalspannung ergibt dieser Gitterableitwiderstand zusammen mit dem Koppelkondensator einennur für die Signal(wechsel)spannung wirksamen, Spannungsteiler dessen Abgriff an das Steuergitter führt. Dieser Spannungsteiler legt den Eingangswiderstand, für die Signalspannung (internerLink) fest, und bestimmt so im wesentlichen, die Eingangs- Empfindlichkeit der Schaltung.

Zur einfachen Gewinnung von "negativer Gittervorspannung" fügt man nun

weiter

unterhalb der Kathode einen nächsten Widerstand ein. Die Kathode ist nun entsprechend dem Spannungsabfall an diesem Kathodenwiderstand positiver als Minus. Das Gitter hat über den Gitterableitwiderstand weiterhin Kontakt zu Minus. Der recht hohe Wert etwa 500.000 Ohm (500 KiloOhm) des Ableitwiderstand zählt nicht, da am Gitter selbst soweit kein Strom abfließt. Die Kathode ist über dem Kathodenwiderstand dabei "positiver" als das Gitter, oder anders ausgedrückt: das Gitter ist nun mit Minus (0 Volt) "negativer" als die plus Volt irgendwas Kathode. Der Wert des Kathodenwiderstandes legt so die Höhe der negativen Gittervorspannung fest.

anders ausgedrückt:

Zeigt das ein Spannungsteiler aus gleich großen Widerständen an hier 100 Volt, mit den zugehörigen Messwerten. Am Mittelabgriff stehen dabei 50 Volt.

Bei Verwendung einer, im Widerstandswert gleichen Röhre statt R1 wären nun an deren Kathode diese 50 Volt messbar.

Das Steuergitter dieser Röhre soll dabei mit Minus, also 0 Volt verbunden sein.

Damit sind die 0 Volt Spannung am Steuergitter 50 Volt niedriger als an der (50 Volt hohen) Kathode.

Somit ist das Steuergitter mit minus 50 Volt (im Bezug zur Kathode) vorgespannt.

Praktisch befindet sich in der Verbindung: "Steuergitter an Minus" der hochohmige Gitterableit-Widerstand R3.

...denn bei einer "0 Ohm- Drahtverbindung" wie vor, wäre das am Steuergitter vorgesehene Ton-Signal gegen Minus (bzw.Masse) einfach kurzgeschlossen.

Wäre nun der obere Kontakt des Gitterableit-Widerstand R3 einfach gar nicht angeschlossen und baumelt "frei im Wind", kann über diesen Widerstand natürlich keine Spannung gemessen werden.

Der obere Kontakt an R3 hat gleiches Potenzial wie der untere Kontakt an R3, wenn auch hochohmiger, nämlich 0 Volt.

Da das zur Kathode elektrisch negative Steuergitter nahezu nicht leitet und der Koppelkondensator ebenfalls keinen Gleichstrom transportieren kann, hängt der obere Anschluß an R3 so gesehen, jetzt immer noch im Wind und legt das Steuergitter auf 0 Volt.

Fast egal wie hochohmig dieser Gitterwiderstand dazwischen ist !!!

Mit dem Spannungsabfall über den Kathodenwiderstand R2 ist also die Höhe der "negativen Gittervorspannung" festgelegt. Die, immer nur im Bezug zur Kathode! negative Gittervorspannung bestimmt den Arbeitspunkt.

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.

Letztlich bestimmt der (wenn auch sehr geringe) Steuergitterstrom einen Höchstwert für den Ableitwiderstand. Zieht das Gitter mehr Strom als der Ableitlwiderstand nachliefert, verschiebt sich die Gitterspannung und damit der vorgesehene Arbeitspunkt. Die Röhre driftet. Daher ist im Datenblatt zur Röhre der zulässige Höchstwert des Gitter-Ableitwiderstand (RG1) stets angegeben:

Auszug aus einem Datenblatt zur ECC82

Dieser zweistufige Verstärker beinhaltet nun alle soweit aufgezeigten Elemente aus Röhre, Anodenwiderstand (R1), Kathodenwiderstand (R2), Gitterableitwiderstand (R3) und Koppelkondensator (C1).


In der dabei angewandten Widerstands-Reihenschaltung, bestehend aus Anodenwiderstand R1, Röhre und Kathodenwiderstand R2 quittiert die Röhre jede Änderung am Steuergitter-Eingang bekanntlich mit entsprechender Spannungsverschiebung am Anoden-  und dem 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. Denn,

eine über den Kathodenwiderstand (R2) gewonnene "negative Gittervorspannung" würde angesicht der tonfrequenten Spannungshübe entsprechend mitschwanken und sich dem Eingangssignal entgegen stellen. Diese Strom-Gegenkopplung innerhalb der Stufe hat einen Nachteil, sie kostet Verstärkung.

Daher ist oftmals parallel zum Kathodenwiderstand (R2) ein Kondensator (C2) wirksam, welcher für die dortigen Spannungswechsel niederohmig ist und so diese Wechselspannung gegen Minus ableitet. Übrig bleibt, an diesem Punkt des Spannungsteiler, nur eine unveränderliche Gleichspannung.

... soweit noch unklar?

LowLevel Puffer-C

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 (R1) durch den Ruhestrom über die Röhre (R2) 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...

Der Koppelkondensator C1 am Eingang leitet die Signalspannug, oder auch "NF" (für Niederfrequenz), an das Steuergitter der Vorverstärker-Röhre "Rö1" und hält dabei möglichen Gleichsstrom zurück. Die Gitter(ableit)widerstände R1 und R2 legen die Steuergitter hochohmig auf Minus, also 0 Volt. Die Kathoden sind jeweils mit einem Kathodenwiderstand R3, R4 zur Erzeugung der negativen Gittervorspannung und damit zur Festlegung des Arbeitspunktes versehen. Die Kondensatoren C3, C4 nivellieren dort die auftretende Signalspannung. Damit liegen an den Kathoden "feste" Gleichspannungen an. Die Kathode steht somit auf stabiler Basis. Beide Röhren arbeiten daher in Kathoden-Basis-Schaltung. Die Spannungsteiler-Spannungsschwankungen am Anodenwiderstand R5, also die verstärkte "NF" ist mittels C2 gleichspannungsfrei weitergeleitet und als Gitterwechselspannung an die 2. Röhre gelegt. Die Gitterwechsel-(Signal)spannung wird sich hier um den wiederum per Kathodenwiderstand festgelegten Arbeitspunkt bewegen und die Endröhre auslenken. Eine Vorverstärkung der Signalspannung mittels Rö1 ist erforderlich um das weniger empfindliche Steuergitter der Endröhre ausreichend aussteuern zu können. Der Anodenwiderstand für die Endröhre ist der Ausgangsübertrager. Dessen ohmscher, also Gleichstrom-Widerstand ist mit etwa 100 Ohm eher gering. Für die verstärkte Wechsel-Signalspannung stellt diese Übertrager-Spule jedoch einen deutlichen Widerstand, von mehreren 1.000 Ohm dar. Die an diesem Wechselstrom-Widerstand abgegebene Leistung wird als entsprechende Magnetfeld-Änderung über den Eisenblechkern an die, ansonsten unabhänige niederohmige-sekundär Spule geleitet. In dieser Sekundärwicklung wird durch das Wechsel-Magnetfeld eine (in diesem Fall) herabgesetzte Wechsel-Spannung bei jedoch stärkerem möglichen Strom erzeugt, genauer gesagt: induziert. Widerstand R6 und Kondensator C5 setzt die Betriebsspannung auf die gewollte Anodenspannung für die Vorstufe herab und siebt mögliche Brummspannung heraus. Für, in der Betriebsspannungsleitung herum-schwadronierende Signalspannungsanteile bildet R6 + C5 einen Tiefpass.

So, -damit ist dieses Tutorial nahezu beendet. Vieles bleibt dennnoch unbetrachtet. Das Thema der Anpassung beispielsweise. Der Ausgang einer Verstärkerschaltung ist nur begrenzt belastbar. Wird also das Signal abgenommen, darf die nachfolgende Schaltung den Wechsel-Spannungsverlauf vom ausliefernden Spannungsteiler nicht niederohmig zu Boden drücken. Die nachfolgenden, auf die Signalspannung wirkenden Widerstände der Folgestufe müssen, zum (Betriebsspannungs) Minus und Plus angemessen hoch und unauffällig sein. Auch zu Plus, da der Sieb-Kondensator im Netzteil, welcher ja über Plus und Minus gespannt ist, für die Signalspannung eine sehr niederohmige Verbindung zu Minus darstellt.

Nochmal zum Spannungsteiler: Ändert die Röhre ihren Inneren Widerstand entsprechend der Steuergitter Vorgabe, wird sich, z.Bsp. bei der Kathoden-Basis-Schaltung, am Mittelabgriff, dem Anodenanschluß die Spannung bekannterweise mit verändern müssen. Das betrifft naturgemäß auch den Spannungsteiler-Anteil "Röhre" selbst,

 also den Spannungs-Messwert zwischen der Anode und Kathode, also deren Anodenspannung; denn diese ändert sich ja (um den Betrag der verstärkten Signalspannung) stets und ständig mit:

Ist der innere Röhren-Widerstand zum Beispiel augenblicklich hoch, muß über die Röhre derweil auch eine größere Anodenspannung Ua wirksam sein. Das Datenblatt verrät: Bei höherer Ua fließt entsprechend mehr Strom durch die Röhre, als es bei einer geringeren Anodenspannung Ua der Fall wäre. Dieser höhere Anodenstrom wirkt nun dem eigentlichen Ziel: "Röhre soll sperren" -entgegen. Kurz gesagt, es ist letztlich eine größere Gitterwechselspannung erforderlich um die Röhren-Triode auszusteuern, als "eigentlich" benötigt würde. Die Triode verliert daraus an Verstärkungsvermögen. Dieser beschriebene Umstand ist eine Kenngröße für Trioden und wird Durchgriff genannt. Um dem Durchgriff zu begegnen wurde ein weiteres Gitter entwickelt und in die Röhren-Triode, kurz vor der Anode eingebaut. Dieses Schirmgitter ist mit der Betriebsspannung verbunden und ermöglicht einen, ganz unabhänig von der gerade vorliegenden Spannungsteiler-Ua-Anodenspannungs-Situation, steuerbaren Strom durch die Röhre. Die Verstärkung ist damit entsprechend höher als bei Trioden. Diese 2-Gitter-Röhren werden Tetroden genannt. Deren Nachfolger, versehen mit einem weiteren, dritten Verbesserungs-Gitter dem, mit der Kathode elektrisch verbundenen Bremsgitter, sind die Pentoden. 

Die hier beispielgebend verwendete ECC82-Röhre ist eine Doppeltriode. Das bedeutet im Glaskörper sind zwei gleichwertige, unabhänige Trioden untergebracht. Deren Anoden, Steuergitter und Kathodenanschlüsse sind als:  a und a' weiter g1 und g1' sowie k1 und k1' getrennt nach außen geführt. Die Heizungen sind miteinander verbunden. Zum Datenblatt 

Ich danke für Ihre Aufmerksamkeit.

RaikWagner@gmx.de

Es scheint unerläßlich zumindest grob auf Gefahren hinzuweisen, die sich im Umgang mit Röhrenschaltungen ergeben:

Für ein sicheres Arbeiten an Röhren-Schaltungen sind Fachwissen und Kenntnisse zur elektrischen Sicherheit erforderlich!

Verwenden Sie beim Basteln mit Röhren unbedingt einen Trenntrafo! Nie mit direkter Netzspannung arbeiten!

Die hierbei verwendeten Betriebspannungen sind mit etwa 400 Volt gefährlich hoch! Ein unbedachter Eingriff kann tödlich enden!

Kondensatoren speichern aufgebaute Ladung über lange Zeit. Trotz gezogenem Netzstecker und nach Tagen kann hier durchaus gefährliche Spannung lauern!

Das man an einer Schaltung nur spannungslos herumbastelt, sollte klar sein. Ist das nicht möglich, um zB. Messungen auszuführen, -nur mit einer ! Hand arbeiten.

Die verwendeten Bauelemente und Leitungen müssen den darüber wirksamen Spannungs- / Stromgrößen und thermischen Belastungen vorbehaltlos standhalten.

Es ist auf Abstand zwischen den Bauelementen zu achten. Ein glühender Anodenwiderstand darf zB. keine Kettenreaktion oder Brände auslösen.

Überlegen Sie möglichst zweimal was Sie tun, bevor Sie es tun. Ggf. schlafen Sie eine Nacht darüber. Das kommt entspannter, als der abgerauchten Schaltung hinterher zu grübeln.

<-Datenblätter vieler Röhren (extern)


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Nachgesetzt:

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)

Durch diesen Zusammenhang lassen sich auch Rückschlüsse auf einen unbekannten Widerstand ziehen, sofern man die anliegende Spannung und den Stromfluß durch den Widerstand kennt:

R=U/I

Gleichsam gilt:

U=R*I

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

Weiterhin entspricht die am beliebigen Widerstand freigesetzte Leistung

dem Produkt aus anliegender Spannung und dem Stromfluß durch diesen Widerstand.

P = Leistung (in Watt)

P = U * I

bei:

P= 10 Volt mal 0,1 Ampere

wird eine Leistung von

P= 1 Watt (Feuerzeugflamme)

freigesetzt,

und bei:

P= 100 Volt mal einhergehenden ein Ampere, sind bereits heftige 100 Watt, (meißt in Wärme) freigesetzte Leistung: (Das entspricht nem Bügeleisen, Toster, oda richtich Licht im Zimma;)

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)

die Leistung die über diesen 1.000.000 Ohm Widerstand abfällt beträgt jetzt nur:

P= U * I

100 Volt * 0,0001 Ampere= 0,01 Watt (10 mW):

entspricht StandBy LED am Fernseher, Glühwürmchen- mal grob geschätzt...

 

 



letzte Aktualisierung
März.2017
(2009)

RaikWagner@gmx.de