Funktion-Roehre

Dies ist der Versuch einen nachvollziehbaren Zugang in diese komplexe Technologie zu ermöglichen. Anspruch ist die theoretischen Hintergründe rein folgerichtig, ein lohnendes Stück weit aufzuzeigen.

Achten Sie im Zweifel auf Verlinkungen, ab und zu im Verlauf des Textes. Denken Sie Z.B. bei dem Wort "Widerstand" an den G20 Gipfel, sollten Sie diese Einführung (interner Link) zu Spannung Strom und Widerstand nicht auslassen.

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 Widerstand R2.

1.) Am Verbindungspunkt von R1 und R2, dem Mittelabgriff sind im Beispiel. 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, was die entstehende Spannung am Mittelabgriff betrifft, auf das Verhältnis aus R1 zu 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...

Damit diese Konstruktion leitend wird, muß einer der beiden Anschlüsse mit freien Elektronen versorgt werden, und dieser Anschluß nach Minus weisen.

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. Ist der Heizdraht selbst auch die Kathode, spricht man von "direkt beheizter Kathode " bzw. direkt beheizten Röhren.

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 hier nur in einer Richtung hindurch.

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

Jede geringfügige Spannungs-Änderung am Steuergitter bewirkt im "Spannungsteiler-aus-zwei-Widerständen" (bestehend aus Widerstand R1 sowie 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, verbunden mit dem Minuspol.

Beispielgebend ist dem Steuergitter-Eingang ein sich wiederholender Spannungsverlauf zugeführt,

der sich als Spannungsschwankung am Anodenanschluß wiederfindet. Dieser, in diesem Fall sinusförmige Spannungsverlauf taumelt irgendwo zwischen +Volt und -Volt gleichmäßig um seinen Null-Volt-Punkt. Dieser Wechselspannungsverlauf am Eingang entspricht der zu verstärkenden

Die angestoßene Stimmgabel schwingt hier im "berühmten Kammerton-A", also mit 440 Hertz, also 440 mal je Sekunde, und zufällig auch - schön sinusförmig.

Trifft dieser Ton über die Luft dabei auf eine bewegliche Oberfläche (wie eine Mikrofon-Membran) wird diese hieraus in Zwangs-Schwingung versetzt. Einem Fahrraddynamo ähnlich generiert eine solche dynamische Mikrofon-Kapsel der Schwingungs-Bewegung angemessene, sehr schwache elektrische Spannungen. Jeder 180° Richtungswechsel der Membranschwingung bewirkt dabei eine Umkehr der elektrischen Polarität.

Die Größen aller so erzeugten Spannungsänderungen zeigen nacheinander, als Abfolge betrachtet, hier in Zeitlupe, einen 440 Hertz flinken (sinusförmigen) Wechselspannungs-Verlauf der gleichmäßig um seinen elektrischen Nullpunkt pendelt. Dieses "elektrische Pendant" zur (sinusförmigen) akustischen Kammerton-A -Luftschwingung, ist ab dem beispielgebend die Signalspannung, oder auch das Tonsignal. Für eine kraftvolle Lautsprecher-Wiedergabe soll es letztlich

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

In einer weiteren, anderen Grundschaltung befindet sich die Röhre nun als veränderbarer Widerstand im oberen Teil des Spannungsteiler. Hier hat jetzt 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 (leider auch noch) Kathodenfolger da der Spannungs-Abgriff an der Kathode erfolgt. Dieser Kathodenabgriff liefert Spannungsänderungen getreu dem Steuergitter:

Ein Spannungs-Anstieg am Gitter hebt auch 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 hier genau entgegengesetzt, invertiert, oder 180° phasengedreht, was unter anderem Namen immer das Selbe beschreibt.

Vielleicht nehmen Sie das einfach erstmal so hin, zumindest bis zum Ende des nun folgenden Kapitel.

Veränderbare Reihenschaltungen von Widerständen, wie der zuvor aufgezeigte Spannungsteiler sind kein "Röhren-Privileg". Sie funktionieren mit Transistoren im Grunde 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 Anschlüssen, (die Heizung zählt nicht, sie ist nur Mittel zum Zweck)

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 durch die Röhre zu erhöhen, muß dem Steuergitter eine Spannung auferlegt werden die negativer ist als die an 0 Volt angeschlossene Kathode; zB. minus 10 Volt. Das ist nun mit dem Einbau einer weiteren Batterie gegeben.

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 und die Röhre sperrt (mal angenommen) mit einem Widerstand von 6 kOhm , während -10 Volt am Steuergitter angeschlossen sind. Widerstand R1 ist hier mit 3 kOhm festgelegt. Der Abgriff zwischen R1 und Röhre stellt dabei, nach den Gesetzen des Spannugsteiler 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.

Zu sehen ist hier ein Auszug aus dem Datenblatt zur Röhrentriode ECC82. Es zeigt als Diagramm den Zusammenhang aus: am Steuergitter anliegender negativer Gitterspannung (in V, untere (x) Achse ) und dem dabei nur möglichen Strom durch die Röhre (in mA, rechte (y) Achse) an vier beispielgebend angenommenen Anodenspannungen (Va) 250V, 200V, 170V und 100V.

Je näher also die negative Gitterspannung (Vg) an 0 Volt gelangt, desto geringer wirkt bekanntlich 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 unzulässiger Gitterstrom und der bleibt im wesentlichen den fetten Sende-Röhren an dabei lebensgefährlich hoher Anodenspannung vorbehalten.

Im anderen Fall: bei -10 Volt Volt am Gitter und einer Anodenspannung (Va) = 100 Volt wäre diese Röhre hingegen längst gesperrt. Es fließt 0 Strom. Ist die Gitterspannung nun auf beispielsweise -3 Volt festgelegt, also das Gitter mit -3 Volt vorgespannt, gelangt ab dem ein Strom (Ia) von knapp 5 mA durch die Röhre. Dieser Strom der sich bei bestimmter Gitter-Vorspannung (zum Beispiel -3 Volt) (jedoch noch 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. Der Arbeitspunkt ist also, hier im Beispiel, bei einer Anodenspannung von 100 Volt , mittels -3 Volt negativer Gitterspannung, auf einen Ruhestrom von knapp 5 mA eingestellt.

Um die gewählte Vorspannung am Röhrengitter (sowie auch die Betriebs-Gleichspannung innerhalb der Verstärkerstufe) -zu halten und nicht auf angrenzende Stufen abfließen zu lassen, benötigt man Koppelkondensatoren.

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

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 gewählten negativen Gittervorspannung (-3 Volt) auch ein Ton-Signal

am Steuergitter an, addiert sich dessen wechselhafter Spannungswert (+2 Volt bis -2 Volt) stets aktuell der negativen Gittervorspannung (-3 Volt) auf. Damit schwankt die festgelegte negative Gittervorspannung jetzt genau um diese Spannungs-Größe,

der über den Koppelkondensator zugeführten (Wechselspannungs-) Ton- Signalspannung,

schön im negativen Bereich, von -1 Volt bis -5 Volt, denn eine Spannung größer Null am Gitter wäre unzulässig, es fließt ab dem ein Gitterstrom ...

Die negative Gittervorspannung könnte nun irgendwo so gewählt werden, daß die höchste zu erwartende, (positive) Pegelspitze Am Steuergitter-Eingang nicht über Null Volt gelangen kann (also keine positive Gitterspannung auftritt), oder (im anderen Fall) bei negativer Aussteuerung die Röhre gerade sperrt.

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 kurz vor 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". -was somit auch eine "andere Spannung" am Spannungsteiler-Abgriff zur Folge hat.

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:

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

Ein einwandfrei sinusförmiger Spannungsverlauf am Gitter-Eingang (unten) wird, bei voller Ausnutzung der Kenlinie am Anodenanschluß wie gezeigt, verzerrt, oder "ausgespiegelt":

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

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

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

Diese 100Hz soll hier als Grundschwingung verwendet werden und sie stellt damit (ganz automatisch) die sogenannte: "1. Harmonische" der folgenden Anordnung.

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

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

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

Die nun 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 noch mit dazu.

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

Jede der 3, somit nun übereinander liegenden Kurven (blau,rot,grün) steht für durchweg eigene, voneinander verschiedene Spannungen. Das kann gemeinsam 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.

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.

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)

Damit soll bewiesen sein, daß der Krümmung im Kennlinienverlauf einer Triode folgend, weitere "Harmonische" (in Oktavenschritten) zum vorliegenden Grundton "ausgespiegelt" werden - Dies ist ein wesentliches Element um den Mythos des "sagenumwoben-warmen" Klang der Röhrenverstärker. Ob es wirklich sinnvoll ist einem fertigen Musik-Kunstwerk derart Obertöne hinzuzufügen, darüber streiten die Geister.

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

Nebenbei vermerkt: ergibt der Gitterableitwiderstand zusammen mit dem Eingangs-Koppelkondensator einen Spannungsteiler dessen Abgriff an das Steuergitter führt. Dieser Spannungsteiler (nur wirksam für die (Wechsel) Signalspannung ) bestimmt im Wesentlichen die Eingangs- Empfindlichkeit einer Schaltung.

Da am Steuergitter wie ausgeführt eine negative Vorspannung benötigt wird, fügt man dafür

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, verbunden mit dem Minuspol (0 Volt) "negativer" als die plus Volt irgendwas Kathode. Der Wert des Kathodenwiderstandes legt so die Höhe der negativen Gittervorspannung fest.

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 zu dieser 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 (0 Volt) 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 selbst (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.

Mit dem Spannungsabfall über den Kathodenwiderstand R2 ist also die Höhe der "negativen Gittervorspannung" -und damit der Arbeitspunkt für diese Röhre festgelegt.

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 dann doch der (wenn auch sehr geringe) Steuergitterstrom einen Höchstwert für den Gitter-Ableitwiderstand. Zieht das Gitter mehr Strom als der Ableitlwiderstand ausgleichen kann, 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:

Dieser zweistufige Verstärker beinhaltet nun alle soweit aufgezeigten Baulemente 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 Spannungsänderung am Anoden-

und auch Kathodenanschluß.

Die Wechselspannungsanteile, oder verursachten Spannungsschwankungen am Anodenanschluß stellen hier nun über beide Stufen nacheinander den Verstärkter-Ausgang.

Die Wechselspannungsanteile an den Kathoden-Anschlüssen der Röhren 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 (teils auch gewollte) Strom-Gegenkopplung innerhalb einer Verstärker-Stufe hat einen Nachteil, sie kostet Verstärkung.

... denn z.B. ein Spannungshub am Gittereingang führt gleichsam zum Spannungsanstieg an der Kathode. Damit erhöht sich der Spannungsunterschied zwischen Kathode und Gitter, was zwangsläufig einen Anstieg der (eigentlich) festgelegten negativen Gittervorspannung bedeutet, Damit ist der Arbeitspunkt in Richtung "Röhre sperrt" verschoben. Eine Änderung (von beispielsweise -5 Volt auf -6 Volt) schnürt den Strom durch die Röhre weiter ab und stellt sich so dem Spannungshub am Eingang entgegen, -wenn man so sagen will. Hierbei ist noch wichtig, daß es grundsätzlich nicht gelingen wird am Kathodenabgriff eine verstärkte Signalspannung zu entnehmen. Die Amplituden (Pegel) sind dort immer geringer als am zugehörigen Gittereingang. Angenommen sie könnten genau gleich groß sein, wäre das anliegende Signal am Gitter passend ausgelöscht.

Um ungewollte Wechselspannungsanteile an den Kathoden-Anschlüssen (für eine stabile GitterVorspannung) nivellieren zu können, ist parallel zum Kathodenwiderstand (R2) nun ein Kondensator (C2) wirksam, welcher groß genug ist um für die dortigen Spannungswechsel genügend niederohmig zu sein. Die Wechsel-Signalspannung kann so gegen Minus abgeleitet werden, ist hier also kurz geschlossen. Übrig bleibt, an diesem Punkt des Spannungsteiler, letztlich nur eine feste Gleichspannung, frei von Signalspannung für eine stabile Gittervorspannung.

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.

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 übertragen. In dieser Sekundärwicklung wird durch das Wechsel-Magnetfeld eine (in diesem Fall) herabgesetzte Wechsel-Spannung bei jedoch stärkerem möglichen Strom erzeugt, genauer gesagt: induziert. Diese Spannung versorgt den angeschlossenen Lautsprecher.

Diese Spulen-Wicklungen bestehen aus Kupferdraht der über die gesamte aufgewickelte Länge um den Eisenkern mit einem Klarlack isoliert ist. Primärseitig können das, entsprechend der erforderlichen Anpassung an die Endröhre zwischen 1.000 und 8.000 Windungen sein. Die Sekundärseite erfordert aufgrund der höheren Wechselströme, (bei geringerer Wechselspannung) einen stärkeren Draht bei einer geringeren, nur zwei- bis dreistelligen Windungszahl. Das Wechselspannungs-Übersetzungsverhältnis ist, wie bei allen Transformatoren immer proportional zur Windungszahl. 1.000 zu 500 Wicklungen bedeuten also halbe Spannung an der Sekundärspule.

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 auslöschenden Tiefpass.

So, -damit ist dieses Tutorial nahe 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 verstärkte 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. Das ist übrigens der Grund, weshalb zur Bestimmung des (Wechselstrom) Ausgangswiderstand einer Verstärkerstufe 1. der Anodenwiderstand sowie 2. die Röhre als parallel verschaltene Widerstände betrachtet werden müssen. (obwohl beide zur Betriebs-(Gleich)spannung eindeutig in Reihe liegen.)

Wird die verstärkte Signalspannung 180° phasengedreht (invertiert) an den zugehörigen Eingang zurückgeführt, stellt sich das rückgeführte Signal dem Eingangssignal mindernd (dämpfend) entgegen. Dabei wirken ausufernde Pegelspitzen im verstärkten Signal (durch Verzerrung also Klirr) besonders stark gegen den zugehörigen Eingangs-Pegelhub. Dieser wird dadurch nun weniger verstärkt, produziert weniger Klirr und "ufert nicht mehr aus". Der Verstärker arbeitet linearer. Ein Beispiel für Gegenkopplung ist die Gegenkopplung innerhalb einer Stufe - durch einfaches "Weglassen" des Überbrückungskondensator am Kathodenwiderstand. Darauf wurde an anderer Stelle bereits eingegangen. Ein anderes Beispiel ist die Über-Alles-Gegenkopplung. Wie der Name verspricht ist das Ausgangssignal des Verstärker, zB. an der Sekundärwicklung des Übertrager entnommen und über alle Stufen an die erste Röhre, an geeigneter Stelle abgeschwächt angeschlossen. Das Problem hierbei ist jedoch die Laufzeit durch den Verstärker. Das Tonsignal ist zwar nahe der Lichtgeschwindigkeit unterwegs, wird aber auch immer wieder abgebremst. Das Umladen der Koppelkondensatoren kostet Zeit. Es kann daher kein genau deckungsgleiches, invertiertes Signal zurück gegeben werden. Die Korrekturen am Eingang kommen somit etwas zu spät, und sind entsprechend phasenverschoben. Daher wird die Über-Alles Gegenkopplung für jeden Verstärkeraufbau individuell ausgetestet und vorsichtig eingesetzt. Enthält ein Verstärkeraufbau keine Gegenkopplungselemente (auch keine innerhalb der Stufe) spricht man vom Offenen Schleifenverstärker oder Open Loop.

Nochmal zurück zum Spannungsteiler: Ändert die Röhre ihren Inneren Widerstand entsprechend der Steuergitter Vorgabe, wird sich, z.B bei der Kathoden-Basis-Schaltung (Röhre im unteren Teil des Spannungsteiler), am Mittelabgriff, dem Anodenanschluß die Spannung bekannterweise mit verändern. Damit ändert sich für Röhre selbst, der Spannungs-Messwert zwischen der Anode und Kathode,

Ist der innere Röhren-Widerstand zum Beispiel augenblicklich hoch, weil die Röhre ebend sperren soll, stellt sich am Anodenanschluß eine größere Spannung Ua ein. Das Datenblatt verrät: Bei höherer Ua fließt entsprechend mehr Strom durch diesen "Röhren-Trioden-Widerstand", als dies bei geringerer Anodenspannung Ua der Fall wäre. Diese höhere Anodenspannung -> mehr Stromfluß wirkt nun dem eigentlichen Ziel: "Röhre soll sperren" -> weniger Stromfluß -entgegen. Kurz gesagt, es ist letztlich eine größere Gitterwechselspannung erforderlich um die Röhren-Triode auszusteuern, als "eigentlich" benötigt würde. Schön wäre eine Röhre deren Stromfluß nicht von der Anodenspannung so beeinflußt werden kann. Die Triode jedenfalls verliert daraus an Verstärkungsvermögen. Dieser beschriebene Umstand ist eine Kenngröße für Trioden und wird Durchgriff genannt. Um dem Durchgriff zu begegnen wurde später tatsächlich die "schöne Röhre" entwickelt. Es wurde ein weiteres Gitter in die Röhren-Triode, kurz vor der Anode eingebaut. Wenn dieses sogenannte Schirmgitter (g2) mit der Betriebsspannung verbunden ist, ermöglicht es einen, ganz unabhänig von der gerade vorliegenden Spannungsteiler-Ua-Anodenspannungs-Situation, gleichmäßigen Strom durch die Röhre, der sich nur per Steuergitter beeinflussen läßt. Die Verstärkung ist damit entsprechend höher als bei Trioden. Diese 2-Gitter-Röhren werden Tetroden genannt.

Bei einer Gitterspannung von -6 Volt fließt hier ein Strom von etwa 20 mA durch die Röhre, bei einer Gitterspannung von -4 Volt sind es 40 mA. Eine sich ändernde Anodenspannung (innerhalb 150 V bis 350 V) hat darauf keinen Einfluß.

Der Tretoden Nachfolger, versehen mit einem weiteren, dritten Verbesserungs-Gitter dem, mit der Kathode elektrisch verbundenen Bremsgitter (g3), ist die Pentode.

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 eminent entspannter, als der abgerauchten Schaltung hinterher zu grübeln.