10.5 Endstufe (Power-Stage)

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1 1.5 Endstufe Endstufe (Power-Stage) Die Endstufe ist die letzte Verstärkerstufe im Signalfluss; sie liefert die zum Betrieb des Lautsprechers erforderliche Leistung. Allerdings mit zumeist eher schlechtem Wirkungsgrad: In der Regel wird nicht einmal die Hälfte der in der Endstufe erzeugten Leistung an den Lautsprecher abgegeben, der Rest wird in der/den Endröhre(n) in Wärme umgewandelt. Um diese Verlustleistung gut abstrahlen zu können, ist/sind die in der Endstufe verwendete(n) sog. Endröhre(n) größer als eine typische Vorstufenröhre; ihre thermische Belastbarkeit beträgt typisch W, ihr Volumen kann zehnmal so groß sein wie das einer Vorstufenröhre. Da Endröhren relativ große Spannungen, aber keine großen Ströme verarbeiten können, werden sie so gut wie nie direkt mit dem Lautsprecher verbunden. Die Anodenströme der Endröhren fließen stattdessen durch den Ausgangsübertrager, der eine Impedanzanpassung vornimmt. Eine gute Übersicht liefert das Ausgangskennlinienfeld der Endröhre (Abb ), in dem der Zusammenhang zwischen Anodenspannung und -strom dargestellt ist. Das Produkt dieser beiden Größen ist die Anoden-Verlustleistung P a, das ist die Leistung, die das Anodenblech der Röhre erwärmt (zusätzlich zu der vom Heizfaden bewirkten Heizung). Wird die maximal zulässige Anoden-Verlustleistung dauerhaft überschritten, beginnt die Röhre zu glühen und kann zerstört werden. In Abb ist gestrichelt die sog. Leistungshyperbel eingezeichnet, sie gibt den zu jeder Anodenspannung maximal erlaubten Anodenstrom an. Nach rechts wird das Kennlinienfeld durch die maximal zulässige Anodenspannung begrenzt wird sie überschritten, drohen Funkenüberschläge und Beschädigung. Nach oben setzt der maximal zulässige Anodenstrom und/oder die maximale Gitteransteuerung eine Grenze, nach unten begrenzt das Sperrverhalten der Röhre das Kennlinienfeld. Röhren reagieren auf Überlastung i.a. wesentlich gutmütiger als Transistoren ihre thermischen Zeitkonstanten sind größer. Dieses Verhalten darf aber nicht als generelle "Indolenz" interpretiert werden: Dauernde Überlastung reduziert die Lebensdauer (Kap ). I a V P a = 12W -2V EL 84 U = g2 2 V 2 I a V P a = 25W -5V EL 34 U g2 = 2 V -4V U gk -1V -6V -8V U gk -15V -1V -12V -14V 3 4 U a / 6-2V -25V 3 4 U a / V 6 Abb : Ausgangskennlinienfeld zweier typischer Leistungs-Pentoden. Schirmgitterspannung U g2 = 2V. Bei den in Abb dargestellten Kennlinien ist (wie bei allen Röhren-Kennlinien) zu beachten, dass es sich hierbei um Datenblattangaben handelt individuelle Röhren werden sich hiervon unterscheiden. Ebenso muss berücksichtigt werden, dass Endröhren fast immer Tetroden oder Pentoden sind: Ihr Verhalten wird vom Steuergitter und vom Schirmgitter (g 2 ) bestimmt. Während die Schirmgitterspannung für Datenblattangaben als konstant angesehen wird, zeigt sich in der Praxis, dass sie sehr wohl von der Aussteuerung abhängt. Zum einen, weil mit zunehmender Aussteuerung die Betriebsspannung etwas abnimmt (zusammenbricht), zum andern, weil am Gittervorwiderstand ein Spannungsabfall auftritt. M. Zollner 7

2 Gitarrenverstärker Eintakt-A-Betrieb, Tetrode, Pentode Bei der Eintakt-A-Endstufe arbeitet die (einzige) Endröhre in Kathoden-Basis-Schaltung, der Ausgangsübertrager liegt im Anodenkreis (Übertrager-Auskopplung). Ohne Wechselspannungs-Ansteuerung ("in Ruhe") stellt sich ein stabiler Gleichgewichtszustand ein, der als Arbeitspunkt (AP) bezeichnet wird. Bei dem in Abb dargestellten Kennlinienfeld erhält man den AP bei 2 V / 48, wenn die Spannung zwischen Steuergitter (g 1 ) und Kathode zu 7.5 V gewählt wird. Dies lässt sich z.b. dadurch erreichen, dass als Kathodenwiderstand 142 Ω eingesetzt werden. Der Kathodenstrom, der die Summe von Anodenstrom (48 ) und Schirmgitterstrom (5 ) ist, erzeugt dann eine (gegen Masse) positive Kathodenspannung von +7.5 V. Liegt dabei das Steuergitter auf Massepotential (U g1 = ), ergibt sich hieraus die Gitter/Kathodenspannung zu 7.5 V (Gitter negativ gegen Kathode). I a V P a = 12W -2V EL 84 U = g2 2 V -4V U = gk -6V AP -8V -1V 2 V -12V -14V 3 4 U a / V 6 Abb : Ausgangskennlinienfeld der EL 84, Endstufenschaltung (Eintakt-A-Betrieb). Mit Ansteuerung (U g1 ) ändern sich Anodenspannung und -strom. Für eine erste Betrachtung reicht es, den Übertrager im Anodenkreis als Parallelschaltung einer großen Induktivität und eines reellen Widerstandes aufzufassen (Kap. 1.6); durch die Induktivität fließt (in diesem Modell) nur Gleichstrom, durch den Widerstand nur gleichstromfreier Wechselstrom. Bei Ansteuerung bewegt sich der U a /I a -Punkt dann auf der in Abb eingezeichneten Arbeitsgeraden: Vergrößern der Gitterspannung erhöht den Anodenstrom und verringert die Anodenspannung, bis bei 17 V / 92 ein Grenzwert erreicht wird: hier ist U gk =. Der Zusammenhang zwischen den Eingangs- und Ausgangsgrößen ist nichtlinear, wie Abb entnommen werden kann; nur bei geringer Aussteuerung um den Arbeitspunkt erhält man eine näherungsweise lineare Abbildung mit geringem Klirrfaktor. Bei derartigen Nichtlinearitätsbetrachtungen muss allerdings berücksichtigt werden, dass in der Praxis die Endröhre selten aus einer niederohmigen Quelle angesteuert wird. Häufig arbeitet die vor der Endröhre betriebene Treiberröhre in Kathoden-Basis-Schaltung, und damit ist ihr Innenwiderstand relativ groß (z.b. kω) dann verzerrt schon der Endröhren-Gitterstrom das Steuersignal. U a V U a V I a AP U gk/ V Abb : Übertragungskennlinie; Anodenspannung und Anodenstrom für sinusförmig eingeprägte U gk. M. Zollner 7

3 1.5 Endstufe 1-77 Der Ausgangsübertrager koppelt den Wechselanteil des Anodenstroms aus dem Anodenkreis aus und erzeugt den um ü vergrößerten Lautsprecherstrom (Sekundärstrom, Kap. 1.6). Die Wechselstrombelastung der Endröhre ergibt sich dann aus der Steigung der Arbeitsgeraden; in Abb sind das 528 Ω (bzw / V). Aus diesem Anoden-Lastwiderstand und dem Lautsprecherwiderstand (z.b. 8 Ω) erhält man eine erste Abschätzung für das Übersetzungsverhältnis ü des Übertragers: ü = 528 / 8 = Mit Berücksichtigung der Übertragerverluste wird man diesen Wert um ca. 1% verringern, sodass näherungsweise ü 23 anzusetzen ist [genauere Berechnungen z.b. bei Schröder, Band II]. In Ruhe, d.h. ohne Ansteuerung, liegen an der Anode 2 V; der Anodenstrom beträgt hierbei 48, das Produkt hieraus ist P a = 12 W (Anodenverlustleistung). Da der Lastwiderstand idealisiert als R/L-Parallelschaltung angenommen wurde (= Gleichstromkurzschluss), ergibt sich die Betriebsspannung zu U B = Anodenspannung + Kathodenspannung = V. Dieser "Laborjargon" muss etwas präzisiert werden: Was in den Datenblättern als Anodenspannung bezeichnet wird, ist tatsächlich der zwischen Anode und Kathode auftretenden Spannungsabfall U ak, auch Anode/Kathode-Spannung genannt. In Reihe hierzu liegt der am Kathodenwiderstand auftretende Spannungsabfall U k, auch Kathodenspannung genannt: U B = U k + U ak. Der Kathodenwiderstand (142 Ω) nimmt in Ruhe.4 W auf, die Anode 12 W, das Schirmgitter 2 V 5 = 1.25 W. Das Netzteil muss in Ruhe folglich W liefern. Mit Aussteuerung wird der Anodenstrom zeitvariant, er pendelt zwischen zwei Grenzwerten, z.b. 5 und 92 (Abb ). Ignoriert man die nichtlineare Verformung, bleibt der Strommittelwert konstant, und das bedeutet: Die vom Netzteil zu liefernde Leistung ist näherungsweise konstant, d.h. aussteuerungsunabhängig! Aus dem Produkt von Anoden-Wechselspannung und Anodenwechselstrom (Abb ) ergibt sich die an den Lastwiderstand abgegebene Nutzleistung zu P N = 6 W. Mit einem idealen Übertrager gelangt diese Leistung vollständig zum Lastwiderstand (Lautsprecher), real wird man mit ca. 2% Übertrager-Verlusten rechnen müssen, so dass nur ca. 4.8 W am Lautsprecher ankommen die restlichen 1.2 W werden im Übertrager in Wärme umgewandelt. Zusammengefasst: Unabhängig von der Aussteuerung muss das Netzteil ca. 14 W liefern, die bei Vollaussteuerung knapp 5 W Ausgangsleistung ergeben; das Ausgangssignal ist hierbei bereits stark nichtlinear verzerrt (= hoher Klirrfaktor). Der Wirkungsgrad dieser Schaltung beträgt bestenfalls 35 %, oder sogar nur 26 %, wenn man die Heizleistung der EL 84 (4.8 W) noch dazurechnet. Aber so ineffizient diese Schaltung auch sein mag bei einigen frühen Gitarrenverstärkern kam sie schon zum Einsatz. Einer der ersten VOX-Verstärker, der AC-4, erzeugte 4 W mit einer EL 84 in Eintakt-A-Schaltung. Auch die ersten kleineren Fender-Verstärker, wie z.b. Champ, Bronco, Princeton und Harvard hatten eine Eintakt-A-Endstufe, allerdings nicht mit einer EL 84, sondern mit der 6V6-GT, einer 12-W-Beampower-Tetrode. Über die Jahre hinweg durchliefen vor allem die Fender-Verstärker diverse Modifikationen, wobei insbesondere die Erhöhung der Betriebsspannung ins Auge fällt: Bei frühen Versionen 35 V, dann 36 V, schließlich sogar 42 V. Lässt sich hiermit die Ausgangsleistung erhöhen? Was ist der optimale Arbeitspunkt, um ein Maximum an Ausgangsleistung zu erreichen? Welcher Lastwiderstand ist hierbei für die Röhre optimal? Mit Vereinfachungen bei Röhren- und Übertragerdaten bereitet die Berechnung der optimalen Arbeitsbedingungen keine Probleme, im realen Betrieb wird man aber Abweichungen zu diesen Idealbedingungen einkalkulieren müssen. Insbesondere die maximale Strombelastbarkeit der Endröhren ist fertigungsspezifischen Streuungen unterworfen, und auch die Übertragerverluste (Baugröße!) bestimmen die letztendlich erzielbare Ausgangsleistung. M. Zollner 7

4 Gitarrenverstärker Unter der idealisierenden Annahme, dass im Anodenkreis der Endröhre nur die Leistungshyperbel als Grenze gilt, sind im linken Bild der Abb zwei Arbeitsgeraden dargestellt, die jeweils Tangenten der Hyperbel sind. Der Quotient aus U AP / I AP ergibt den optimalen Arbeitswiderstand, der gleichzeitig der negativen Steigung der Hyperbel im AP entspricht. Der im AP 1 maximal erreichbare Spannungshub beträgt 4 V ss, was zusammen mit dem Lastwiderstand (3333 Ω) 6 W ergibt. Dieselbe Leistung erhält man im AP 2 : Hier ist zwar ein größerer Spannungshub erreichbar (6 V ss ), der Strom ist aber entsprechend geringer. Wird nur die Leistungshyperbel als Begrenzung definiert, ist die maximal abgebbare Leistung immer genau halb so groß wie die maximale Anodenverlustleistung unabhängig vom AP. Bei der realen Schaltung ist hingegen zu berücksichtigen, dass der Anodenstrom nicht beliebig groß werden kann. Im rechten Bild ist als Grenzkurve die Ausgangskennlinie einer 6V6-GT für den Fall gezeichnet, dass die Gitter/Kathoden-Spannung null ist. Zwar ist diese Kurve nicht als absolute Grenze zu verstehen mit positiver Gitter/Kathoden-Spannung wären auch noch größere Anodenströme erreichbar. Den hierfür nötigen Gitterstrom können aber die üblicherweise verwendeten Ansteuerschaltungen (Treiberschaltungen) nicht liefern, und deshalb ist es zweckmäßig, ergänzend zur Leistungshyperbel U gk = als Grenzfall zu definieren. Hiermit ist aber bei AP 1 als Spannungshub nicht mehr 4 V ss, sondern nur noch 334 V ss erreichbar, und der AP liegt nicht mehr in der Mitte der nutzbaren Arbeitsgeraden. Durch Verschieben des AP 1 von V auf 233 V kann man zwar die Aussteuerbarkeit symmetrieren, die Verringerung des Spannungshubes um 16.5% reduziert aber die maximal abgebbare Leistung um 3% im Beispiel von 6 W auf 4.2 W. Beim AP 2 macht sich die Verringerung des Spannungshubes weniger stark bemerkbar (5.6 W statt 6 W), sodass der Betrieb mit größerer Spannung eine etwas größere Leistungsabgabe erwarten lässt. I a P a = 12W I a P a = 12W 6V6-GT U g2 = 2 V U gk= V AP 1 AP 1 AP 2 AP Ω 7 Ω 3 4 U a / V Ω 7 Ω 3 4 U a / V 6 Abb : Ausgangskennlinienfeld mit zwei verschiedenen Arbeitspunkten, Leistungshyperbel als Grenze. Die o.a. Leistungsberechnungen waren absichtlich sehr prinzipiell angelegt, um die grundsätzliche Funktion der Endstufe zu erläutern. Sieht man die Leistungshyperbel als nicht zu überschreitende Grenze, gibt die Schaltung % der maximalen Anodenverlustleistung an den Ausgangsübertrager ab unabhängig von der im einzelnen verwendeten Röhre. Mit Berücksichtigung individueller Röhrengrenzwerte kann dieser Leistungsgrenzwert nur noch kleiner werden, nicht größer. Neben der maximalen Anoden-Verlustleistung sind insbesondere die maximal zulässige Anodenspannung und die maximal zulässige Schirmgitter-Verlustleistung zu berücksichtigen. Mit 3 V Betriebsspannung können an der Anode bis zu 6 V entstehen, mit 42 V Betriebsspannung sogar 84 V! Und da der Lastwiderstand (Lautsprecher) ja kein reeller 8-Ω-Widerstand ist, sondern bei höheren Frequenzen induktiv und damit hochohmig wird, können sogar noch größere Spannungen auftreten. Auch wenn die Isolation im Transformator vorbildlich ist: Bei zu großen Spannungen sind in bzw. an der Röhre Funkenüberschläge möglich, die zur Zerstörung führen können. M. Zollner 7

5 1.5 Endstufe 1-79 Nach dieser einführenden, grundsätzlichen Beschreibung des Verhaltens einer Eintakt- Endstufe nun zu den Details. Bei der in Vorstufen verwendeten Triode wurde ein einfaches Potenzgesetz als Näherung formuliert (Child/Langmuir, Kap ): I a 2 3/ 2 ( U gk + U a ) 3/ = K2 U = K2 µ St Triodenkennlinien Der Anodenstrom I a hängt ab von der Gitter/Kathode-Spannung U gk, von der Anodenspannung U a und von der Leerlaufverstärkung µ, deren Kehrwert als Durchgriff D bezeichnet wird: D = 1/µ. Etwas detaillierter: Die freien Leitungselektronen der Metallkathode sind sehr beweglich, können im kalten Zustand das Metall aber nicht verlassen. Erhitzen bis zur Rotglut und spezielle Beschichtung ermöglichen aber, dass ein wesentlicher Teil dieser Elektronen aus dem Metall austritt und zunächst im Bereich direkt vor der (erhitzten) Kathode eine Art "Elektronen-Nebel" erzeugt, auch "Raumladungswolke" genannt. Je mehr Elektronen sich vor der Kathode sammeln, desto negativer wird dieses Raumladungsgebiet, und desto effizienter werden weitere Elektronen daran gehindert, gegen dieses negative Potential anzulaufen es stellt sich ein Gleichgewichtszustand ein. Durch eine positiv geladene Anode überlagert sich aber dem elektronen-bremsenden Raumladungsfeld ein elektronen-beschleunigendes Anodenfeld, das aus der Raumladungswolke Elektronen absaugt und zur Anode zieht. Hierdurch nimmt die Raumladung vor der Kathode ab, was wiederum neuen Elektronen den Austritt aus der Kathode erleichtert. Die aus der Kathode austretenden Elektronen bilden den Kathodenstrom, die an der Anode ankommenden Elektronen den Anodenstrom. Wird zwischen Kathode und Anode ein Steuergitter eingefügt (Dreielektrodenröhre = Triode), so erzeugt sein elektrisches Potential ein zusätzliches Feld, und damit wirken neben dem Raumladungsfeld zwei durch Elektroden steuerbare Felder auf die Elektronen, und somit auf den Stromfluss ein: Das vom Steuergitter erzeugte, und das von der Anode erzeugte. Weil das Steuergitter aber näher an der Kathode sitzt, hat es den stärkeren Einfluss, die Anode muss erst "durch das Steuergitter auf die Raumladungen durchgreifen", daher der Name Durchgriff. Bei der ECC83 nennt das Datenblatt für den Durchgriff mit D =.1 einen ziemlich kleinen Wert. Aber: Die Anodenspannung ist ja ungefähr hundertmal so groß wie die Gitter/Kathode-Spannung, und deshalb beeinflusst sowohl U a als auch U gk den Anodenstrom. Praxisorientierte Schaltungstechnik-Bücher sehen das Gitter als Steuerelektrode, und bezeichnen U gk als Steuerspannung. Theorieorientierte Grundlagenwerke fassen die Summanden U gk + D U a zusammen und nennen sie ebenfalls Steuerspannung dieser Begriff kann also zwei Bedeutungen haben! In der o.a. Formel steht U St für die theoretische Steuerspannung, die den Einfluss von Gitter und Anode berücksichtigt, K 2 ist eine röhrenspezifische Konstante. Dass der Anodenstrom der Triode nicht nur von der Gitter/Kathode-Spannung, sondern auch von der Anodenspannung abhängt, kann man als problematisch erachten und für Abhilfe sorgen: Fügt man zwischen Steuergitter (g 1 ) und Anode ein zusätzliches Schirmgitter (g 2 ) ein und verbindet dieses mit einer hohen positiven Spannung, werden die Elektronen hauptsächlich vom Steuergitter- und Schirmgitterpotential beschleunigt; das Anodenpotential hat demgegenüber nur noch untergeordnete Bedeutung. Bei der nun entstandenen Vierelektrodenröhre = Tetrode lässt sich die Wirkung aller Elektrodenpotentiale wieder durch eine theoretische Steuerspannung beschreiben: U St = U g1 + D1 U g 2 + D1 D2 U a Steuerspannung der Tetrode Die Röhrenparameter D 1 bzw. D 2, die beide wesentlich kleiner als 1 sind, können wieder als Durchgriff interpretiert werden, D 1 D 2 zeigt den geringen Einfluss der Anodenspannung. M. Zollner 7

6 Gitarrenverstärker Als Beispiel: Wenn sich die Steuergitterspannung um 1 V ändern muss, um den Anodenstrom um 1 zu ändern, so müsste für die gleiche Anodenstromänderung die Schirmgitterspannung um 2 V geändert werden, oder die Anodenspannung um 4 V. Auch bei der Tetrode könnte das o.a. Potenzgesetz verwendet werden, um die Steuerspannung auf den Anodenstrom abzubilden, für eine gute Übereinstimmung mit dem tatsächlichen Verhalten sind aber erhebliche Korrekturen erforderlich. Ein Hauptgrund für die Diskrepanz zwischen einfacher Theorie und Praxis: Das Auslösen von Sekundärelektronen aus dem Anodenblech. Sobald die von der Kathode kommenden Elektronen von mehr als 1 V Potentialdifferenz beschleunigt wurden, können sie beim Aufprall auf das Anodenblech aus diesem weitere Elektronen herausschlagen das sind die Sekundärelektronen. Ist das Schirmgitterpotential niedriger als das Anodenpotential, stört dieser Vorgang nicht, weil die Sekundärelektronen wieder zur Anode zurückkehren. Bei höherem Schirmgitterpotential fliegen die Sekundärelektronen aber zum Schirmgitter sie verringern so den Anodenstrom, und erhöhen den Schirmgitterstrom. Im I a /U a -Kennlinienfeld der Tetrode taucht deshalb bei kleinen Anodenspannung eine gewaltige Delle in der Anodenstromkurve auf, und die ist unerwünscht (Abb ). 1 9 U g1 = V 1 9 U g1 = V V V V -3 V V 2 1 Tetrode Pentode V -1 2 V V 3 Abb : Ausgangskennlinien (I a vs. U a ) einer Tetrode (links) und einer Pentode (rechts). Abhilfe bringt ein weiteres Gitter zwischen Schirmgitter und Anodenblech, das Bremsgitter. Es soll die von der Anode kommenden Sekundärelektronen zurückdrängen, sodass sie nicht auf dem Schirmgitter landen können. Dies funktioniert aber nur, wenn das Bremsgitter-Potential deutlich niedriger ist als das Schirmgitter-Potential, weswegen das Bremsgitter üblicherweise mit Masse verbunden wird. Die von der Kathode kommenden schnellen Elektronen werden durch das dünne Bremsgitter nur wenig behindert, die von der Anode herausgeschlagenen langsamen Sekundärelektronen können aber die Potentialdifferenz zum Bremsgitter nicht überwinden und kehren zur Anode zurück. Die erste kommerzielle Version dieser Fünfelektrodenröhre = Pentode wurde von Philips-Mitarbeitern entwickelt und 1926 zum Patent angemeldet. Für kurze Zeit findet man in Gitarrenverstärkern Vorstufen-Pentoden, die aber bald von Trioden abgelöst werden (Kap. 1.1). In der Endstufe kommen aber fast nur Endpentoden zum Einsatz, so z.b. die EL84 (z.b. VOX) oder die stärkere EL34 (z.b. Marshall). Der Londoner Röhren-Hersteller MO-V (MO-Valve oder Marconi-Osram Valve Co Ltd.), der wegen des Philips-Patents keine Pentoden herstellen durfte, entwickelte um 1933 eine ernstzunehmende Alternative zur Pentode, die Strahl-Tetrode (Beam-Power-Tetrode). Ihre Leitbleche bündeln den Elektronenstrom, sodass aufgrund starker Raumladungen die charakteristische Tetroden-Delle nur noch schwach ausgeprägt ist. Anscheinend traute man diesem Konzept dann aber doch nicht, und verkaufte die Rechte an die amerikanische RCA, die daraus die Strahl-Tetrode 6L6 entwickelt. MO-V, nun erst recht zum Handeln gezwungen, optimierte die Elektroden-Geometrie und brachte mit der KT-66 die "Kinkless Tetrode" auf den Markt (Kink = Knick). Sowohl die 6L6 als auch die KT-66 wurden in vielen Varianten hergestellt, deren Daten sich erheblich unterscheiden können. M. Zollner 7

7 1.5 Endstufe 1-81 Die in Gitarrenverstärkern verwendeten Endröhren kann man in drei Hauptgruppen einteilen: Die Pentoden, die englischen Beam-Tetroden, und die amerikanischen Beam-Tetroden. Bei den Pentoden gibt es die EL84 für die kleineren Leistungen, und die EL34 für die großen. Die englischen Beam-Tetroden sind: Die KT-66, und die etwas leistungsstärkere KT-88. Die amerikanischen Gegenstücke: Die kleinere 6V6, und die größere 6L6. Seit ihrer Markteinführung wurden diese Röhren mehrfach umkonstruiert, deshalb darf nicht einfach von z.b. "der" 6L6 gesprochen werden. Zunächst kam der Entwicklungsschritt von den Stahlröhren zu den Glasröhren, danach folgten Änderungen bei der Form des Glaskolbens, aber natürlich auch bei den Elektroden, und damit bei den elektrischen Parametern. Die RCA 6L6-GB ist mit einer maximalen Anoden-Verlustleistung von 19 W angegeben, die Tungsol 6L6-GB mit 22 W. Ist die Tungsol-Röhre nun höher belastbar? Schwer zu sagen, denn bei RCA liest man: Design-Center Values, bei Tungsol hingegen: Design Maximum System (mehr zu diesen Ratings in Kap ). Die Sylvania 6L6-WGA ist mit 19 W spezifiziert (Design Center), aber auch mit 21 W (Absolute Maximum). In erster Näherung sind das Röhren, deren Entwicklung von der 6L6 über die 6L6-G, 6L6-GA zur 6L6-GB vor allem die Form betraf. Erst bei der 6L6-GC gibt es einen deutlicheren Leistungssprung auf 3 W Anodenverlustleistung (Design Maximum Values), der vermutlich auf Änderungen des Anodenblechs beruht. Keine dieser Röhren wurde speziell für Gitarrenverstärker entwickelt, dieser Markt war damals bei weitem zu klein. Stattdessen liest man: For Radio Receivers. Daneben gab es aber auch noch besonders robuste Militär-Röhren, mit einem zusätzlichen W gekennzeichnet, z.b. 6L6- WGB. Ihr Elektroden-Aufbau war optimiert, um die strengen MIL-Tests bestehen zu können. Die KT-66 ist das englische Gegenstück zur 6L6. Im Osram-Datenblatt ist sie mit 25 W maximaler Anodenverlustleistung spezifiziert, im Marconi-Datenblatt ebenfalls, im MO-V- Datenblatt mit 25 W (Design Max) bzw. 3 W (absolute Max). MO-V, das ist die Marconi- Osram-Valve Company, die die KT-66 unter dem Label GEC weltweit anbot. GEC = General Electric Corporation of England, nicht zu verwechseln mit General Electric USA. Sowohl die 6L6 als auch die KT-66 sind Beam-Tetroden, d.h. Röhren ohne Bremsgitter. Weil man die Strahlformungsbleche dieser Röhren letztlich aber auch als fünfte Elektrode ansehen kann, werden sie häufig (trotz fehlenden Bremsgitters) als Pentoden bezeichnet. Eine echte Pentode ist hingegen die EL34, für die eine maximale Anodenverlustleistung von 25 W angegeben wird. Bzw W ("bei maximaler Aussteuerung"). Aus der Tatsache, dass alle diese Röhren ähnliche Belastbarkeiten (P a ) aufweisen, darf nun aber nicht geschlossen werden, dass sie damit beliebig austauschbar wären ihre Steuerkennlinien unterscheiden sich schon deutlich. Bevor auf die Röhrenkennlinien ausführlicher eingegangen wird, noch ein kurzer Blick auf weitere Leistungs-Röhren (Power-Tubes): Da entwickelt Tung-Sol um 19 die 5881, und bewirbt sie als Weiterentwicklung der 6L6 (bzw. 6L6-GA). Auch noch 1962 wird ihre (5881) maximale Anodenverlustleistung mit 23 W spezifiziert (Design Center System), doch inzwischen hat bei der 6L6 schon die Weiterentwicklung zur 6L6-GC (3 W) stattgefunden, und die 6L6-WGB (26 W) ist schon seit mindestens 1955 am Markt. Kein Wunder, dass nicht alle die 5881 als "die bessere 6L6" betrachten. Und was bedeutet schon "besser"? Aus Sicht des MIG-Piloten, der auch nach harter Landung volle Funktion fordert? Aus Sicht des Klassik- Liebhabers, der geringste Verzerrungen erwartet? Aus Sicht des Jazz-Gitarristen, der gerade entdeckt hat, dass man das Tone-Poti nicht immer auf stellen muss. Oder aus Sicht des Eddie-Epigonen, der sein Equipment (sein "Rig") exakt "VH-mäßig" übersteuert? Die Aussage "die 5881 ist die bessere 6L6" ist genau so unsinnig wie "6L6 = KT66 = 5881". Es gibt weder 'die' 6L6, noch 'die' KT66, noch 'die' Nicht nur, dass schon die alten Datenblätter Unterschiede zeigen so manche heutige KT66 ist innerlich eine 6L6-Variante. M. Zollner 7

8 Gitarrenverstärker Bei der Beurteilung von Röhren im Allgemeinen und Endröhren im Besonderen bieten sich vor allem zwei Kriterien an: Der Klang, und die Lebensdauer. Natürlich auch Preis und Verfügbarkeit, doch dazu später mehr. Die Lebensdauer kann fünf Stunden oder fünf Jahre betragen, ihr ist ein eigenes Kapitel gewidmet (Kap ). Der Klang wird mit "kraftvoller Bass" oder "klare Höhen" beworben, und viele Gitarristen vermuten deshalb, Röhren würde eine frequenzabhängige Übertragungscharakteristik innewohnen ähnlich einem Lautsprecher. Das stimmt so aber nicht: Röhren können beliebig tiefe Frequenzen verarbeiten, und beliebig hohe; ob die obere Grenzfrequenz bei MHz oder MHz liegt, ist nun wirklich völlig unerheblich. Daraus aber den Schluss zu ziehen, alle Röhren klängen gleich, ist auch falsch: Nicht, weil die Röhre selbst ja gar nicht klingen soll, sondern weil die Röhre das Übertragungsverhalten der Endstufe mitbestimmt: Für den Lautsprecher macht es sehr wohl einen Unterschied, ob er hoch- oder niederohmig angesteuert wird, und auch die Verzerrungscharakteristik der Endstufe ist röhrenspezifisch. Und deshalb weiß man: Röhren machen den Sound, teure Röhren machen den besseren Sound, und alte Röhren machen den besten Sound. Am billigsten sind sog. Industrieröhren, d.h. Röhren, die für die Industrie hergestellt werden. Also: Natürlich nicht nur für die Industrie, denn sonst würden sie ja wohl kaum in Kleinstmengen für Musiker angeboten werden. "Industrieröhren" soll wohl heißen, der Musiker bekommt diese Röhren im selben Zustand, wie sie auch die Industrie bekommt: Ohne zusätzliche Wertschöpfung durch den Händler. Ohne Mehrwert heißt allerdings nicht ohne Mehrpreis, denn dass der Handel auch an dieser Handelsware verdient, ist legitimes Ergebnis kaufmännischen/kauffrauischen Strebens. Neben den Industrieröhren gibt es die selected/matched Power Tubes. Sie tragen diverse geheimnisvolle Zahlen auf Sockel und/oder Schachtel, und wurden "gepaart". Oder zumindest in Schachteln gesteckt, deren Aufdruck dies verheißt. Dass derartiges Treiben dann mehr kostet, ist auch Ergebnis kaufmännischen/-frauischen Wirkens. So kosten z.b. 4 EL-84 als Industrieröhren 3 Euro, als 'matched Quartett' hingegen 7 Euro. Wie dieses "Matchen" vor sich geht, wird üblicherweise nicht verraten, wie gut es gelingt, zeigen die folgenden Seiten. Für all jene, die 7 Euro als Beleidigung ihrer Virtuosität ansehen, gibt's NOS-Ware. Das sind Röhren, die sich auf wundersame Weise in Kellern und Speichern nicht nur verstecken, sondern auch vermehren konnten, die seit vielen Jahren mit dem Zusatz angeboten werden: Eines der letzten Originale! Ihr Klang wird als unerreichbar geschildert, mit der intuitiv verständlichen Begründung, die alten Röhrenexperten seien zusammen mit den alten Produktionsanlagen verschrottet worden, und deshalb weiß heute niemand mehr, wie man gute Röhren herstellt. Im Einzelfall mag das sogar zutreffen (so ganz trivial ist das ja auch nicht), aber daraus den Schluss zu ziehen, eine Röhre sei allein deshalb besser, weil sie seit Jahren unbenutzt im Keller gelegen hat, ist Unsinn. Sie bringt möglicherweise genau den gewünschten Sound, möglicherweise ist sie aber auch schlechter als eine preiswerte Industrieröhre genau weiß man das erst, wenn man sie gekauft hat. Ob eine spezielle Röhre tatsächlich aus uralten Lagerbeständen stammt, oder ein modernes Billig-Imitat ist, kann der Käufer nur schwer feststellen hilfreich sind hier die Internetforen über "faked tubes". Ob eine Röhre den Anforderungen gerecht wird, enthüllen Hörversuche (subjektiv), bzw. Messdaten (objektiv). Inwieweit der Schluss von den einen auf die anderen zulässig ist, soll noch nicht untersucht werden erst zu den Technischen Daten. Deren wichtigste nach gängiger Meinung Anodenverlustleistung und Steilheit sind (sieht man vom Sockel ab, der natürlich passen muss). Anodenverlustleistung = Belastbarkeit (z.b. 3 W), Steilheit = Verstärkung (z.b. 5 /V). Allein danach kann man aber keine Endstufenröhre aussuchen, zumindest beim Gitarrenverstärker gibt's mehr Kriterien für die Röhrenwahl. Dass es nicht exakt Hz sind, scheitert nur an ihrer endlichen Lebensdauer M. Zollner 7

9 1.5 Endstufe 1-83 Relativ einfach ist die Leistungszuordnung, sofern man den Blick aufs Wesentliche richtet: Kleine Leistung = EL-84, 6V6-GT; mittlere Leistung = 6L6-GC, 5881, KT-66, EL-34; große Leistung = KT-88, 65. Dass es daneben noch weitere Röhren gibt und einige Röhren in mehreren Leistungsklassen angeboten wurden/werden (z.b. 6L6-GB vs. 6L6-GC), soll hier nicht vertieft werden. Ebenso müssen Aussagen zur Spannungsfestigkeit unterbleiben zu undurchsichtig und widersprüchlich sind diesbezüglich die Datenblattangaben. Die maximale Anodenverlustleistung liegt bei Endröhren zwischen ca. 1 W. Dieser Wert ist nicht identisch mit der Ausgangsleistung des Verstärkers! Es gibt -W-Verstärker, die ihre Leistung aus 2xEL-34 beziehen (P a,max = 25W), und 4-W-Verstärker mit 2x6L6-GC (P a,max = 3W). In Abb sind die Ausgangs- und Übertragungskennlinien der wichtigsten Endröhren dargestellt. Alle Kurven gelten für U g1 = U gk = V, also für Vollaussteuerung. Prinzipiell könnte man mit positiven Steuergitterspannungen noch größere Anodenströme erreichen, die üblichen Treiberschaltungen sind hierfür aber zu hochohmig. Neben der Steuergitterspannung bestimmt auch die Schirmgitterspannung den Verlauf der Ausgangskennlinie. Aus Gründen der Vergleichbarkeit wurde hier U g2 = 3 V angesetzt, obwohl natürlich nicht alle Verstärker mit diesem Spannungswert arbeiten. Für die 6V6-GT sind im GE-Datenblatt als maximale Schirmgitterspannung sogar nur 285 V spezifiziert was Fender (bzw. CBS) aber nicht hinderte, der im Princeton arbeitenden 6V6-GT stolze 415 V zuzumuten. 6 I a KT-88 R g2 = Ω U g2 = 3 V U g1 = V 3 3 U B = 3 V R g2 = Ω R a = 1 kω EL-34 KT-66 4 EL L6-GC 3 KT-66 6L6-GC EL-84 6V6-GT 3 4 U a / V V Abb : Ausgangskennlinien (links) und Übertragungskennlinien (rechts) einiger Endröhren. Abb kann entnommen werden, dass sich die unter vergleichbaren Bedingungen erreichbaren maximalen Anodenströme doch sehr deutlich unterscheiden. Auch die Übertragungskennlinien zeigen ausgeprägte Individualität, deshalb darf z.b. eine KT-66 nur nach geeigneten Schaltungsmodifikationen gegen eine EL-34 ausgetauscht werden. Wobei immer beachtet werden sollte: Derartige Kennlinien sind vereinfachende Pauschaldarstellungen! 6 I a 4 3 6L6-GC KT-66 R g2= Ω U g2 = 3 V U g1 = V 3 4 U a / V 6 Abb : Gemessene Ausgangskennlinien Dies beweist Abb anhand von Messergebnissen: 3x6L6-GC, 2xKT-66. Legt man Datenblattangaben zugrunde, würde man bei allen 5 Röhren ähnliche Ausgangskennlinien erwarten die Realität sieht aber anders aus, oft ist das Aussehen (d.h. die Form des Glaskolbens) wichtiger als die Funktion. Vergleichstests, die auf dieses Unterschiede nicht eingehen wollen, sind deshalb keine Hilfe, sondern schlicht unbrauchbar. Mehr hierüber in Kap und Kap M. Zollner 7

10 Gitarrenverstärker In der nachfolgenden Tabelle sind einige Röhrendaten zusammengestellt. Die Jahreszahl besagt nicht zwingend, dass die Röhre in diesem Jahr auf den Markt kam sie ist Literaturangaben entnommen. Die Steilheit (/V) ist stark vom Arbeitspunkt abhängig, der angegebene Wert dient nur zur groben Orientierung; Detailinformation bieten Kennlinien (Kap. 1.1). Die maximal zulässige Anodenverlustleistung ist ebenfalls nur als Orientierungswert zu verstehen: Die Datenblattangaben verschiedener Hersteller unterscheiden sich etwas, und dann wurde früher nach zwei verschiedenen Standards spezifiziert: Design Center System, und Design Maximum System (in Klammern gesetzt, vergl. Kap ). Typ P a,max / W /V Hersteller Jahr 6V6 12 (14) 4 RCA V6-G 12 (14) 4 RCA V6-GT 12 (14) 4 RCA V6-GTA 12 (14) 4 RCA L6 19 (---) 5.3 MOV RCA > L6-G 19 (---) 5.3 > L6-GA 19 (---) 5.3 > L6-GB 19 (22) 5.3 6L6-WGB 2 (23) 5.3 Tung-Sol 19 6L6-GC --- (3) (---) 5.3 Tung-Sol (---) 6 RCA A --- (35) 6 RCA (---) 11 RCA A --- (42) 11 GE 1972 KT (25) 6.3 Marconi 1956 (> 1937) KT (25) 7 MOV 1977 KT (25) 11 MOV 1977 KT (35) 11 MOV, GEC 1957 KT (45) 11 Ei EL (---) 11 Philips Ca EL (---) 12 Philips Ca EL Philips 1953 EL Telefunken 1943 Tabelle: Endröhren-Datenblattangaben: Maximale Anodenverlustleistung und Steilheit. M. Zollner 7

11 1.5 Endstufe Gegentakt-A-Betrieb Die in Kap vorgestellte Eintakt-Endstufe erwies sich als relativ leistungsschwach: Mit einer 12-W-Röhre (EL 84) konnten bestenfalls 6 W Nutzleistung erzeugt werden. Für größere Leistungen stünden zwar leistungsfähigere Endröhren zur Verfügung, die Eintakt-Schaltung hat aber noch weitere Nachteile: Ohne Aussteuerung fließt bereits ein relativ großer Gleichstrom durch den Ausgangsübertrager, der durch diese Gleichstrom-Vormagnetisierung unter ungünstigen Bedingungen arbeiten muss. Durch Einfügen eines Luftspaltes in den Eisenkern lässt sich die Gleichfeldabhängigkeit der reversiblen Permeabilität zwar verringern, sie wird damit aber insgesamt kleiner als bei einem Kern ohne Luftspalt. Des weiteren ist zu berücksichtigen, dass bei der Eintakt-A-Endstufe die Netzteilbelastung ja aussteuerungsunabhängig ist. Auch in Ruhe ist das Netzteil maximal belastet, die Betriebsspannung ist deshalb nicht konstant, sondern pendelt (beim Netzteil mit Vollweggleichrichter) mit Hz um einen Mittelwert. Dieser Wechselanteil bewirkt einen Wechselstrom durch den Ausgangsübertrager (die Endröhre ist zwar hochohmig, aber keine ideale Stromquelle), und als Konsequenz erzeugt der Lautsprecher einen unerwünschten -Hz-Brummton. Mit der Gegentakt-A-Schaltung (Abb ) lassen sich einige Nachteile der Eintakt-A- Schaltung vermeiden. Der Name "Gegentakt" (englisch: Push-Pull) leitet sich aus der gegenphasigen Ansteuerung der beiden Endröhre ab. Wenn bei der einen Röhre eine ansteigende Gitterspannung den Anodenstrom vergrößert, bewirkt bei der anderen Röhre die abnehmende Gitterspannung eine Verkleinerung des Anodenstroms. Idealisiert betrachtet vergrößert sich der eine Anodenstrom um dasselbe I, um das sich der andere verkleinert; der vom Netzteil zu liefernde Summenstrom I = bleibt deshalb konstant (Gleichstrom), unabhängig von der Aussteuerung. In Ruhe teilt sich dieser Gleichstrom zu je % auf die beiden Anodenströme auf, die (jeder für sich) im Übertragerkern ein magnetisches Gleichfeld erzeugen. Da die von den beiden Anodenströmen erzeugten Gleichfelder aber gegenphasig sind, kompensieren sie sich im Kern er bleibt feldfrei (keine Vormagnetisierung), ein Luftspalt ist nicht erforderlich. Eine entsprechende Kompensation findet bei der Restwelligkeit der Betriebsspannung statt: Auch der hiervon verursachte -Hz-Wechselstrom erzeugt gegenphasige Wechselfelder, die (im Idealfall) kein Lautsprecherbrummen bewirken können. Ganz andere Verhältnisse ergeben sich bei den durch gegenphasige Gitter-Aussteuerung verursachten Anoden-Wechselströmen: Sie sind zwar (bezüglich der in Abb definierten Bezugspfeile) zueinander gegenphasig, entsprechen damit aber gleichphasig dem (in eine Richtung definierten) Primär-Wechselstrom I aa = Ia1 = Ia2. Die Gleichheit dieser beiden Wechselströme ergibt sich auch daraus, dass vom Netzteil (idealisiert) ein reiner Gleichstrom geliefert wird: Wenn an der Anzapfung der Primärwicklung kein Wechselstrom aus der Wicklung fließt, müssen die beiden Primär-Wechselströme gleich sein. Unter der Annahme eines idealen Transformators mit identischen Primärwicklungen wird die gesamte Primärspannung doppelt so groß wie die Anoden-Wechselspannung; die beiden Röhren arbeiten also in Reihe. I a1 U aa.. I aa I =. Ia2 U B U ak1 U ak2 Abb : Gegentakt-A-Endstufe; das rechte Bild verdeutlich die Phasenlagen der Ströme und Spannungen. M. Zollner 7

12 Gitarrenverstärker In Abb sind die zu Abb gehörenden idealisierten Spannungen und Ströme dargestellt. Jede einzelne Röhre arbeitet im Eintakt-A-Betrieb, ihr Arbeitspunkt liegt in der Mitte der nutzbaren Arbeitsgeraden (Kap ). Die beiden Röhren werden gegenphasig angesteuert, mit den in Abb definierten Bezugspfeilen sind dann auch die Anoden-Wechselspannungen und -ströme zueinander gegenphasig. Die (gesamte) Primärspannung U aa ist die Differenz dieser gegenphasigen Wechselspannungen U aa = U ak 2 U ak1, der durch beide Primärwicklungen fließende Wechselstrom ist I I = I. aa = a1 a2 V 4 U ak2 V 4 3 U aa U ak I a1 4 I aa I a2-4 Abb : Spannungen und Ströme der Einzelröhren (links), Primär-Wechselspannung und -strom (rechts). Bei Vernachlässigung der Anodenrestspannung (bei U g1 = ) und bei Annahme eines idealen Ausgangsübertragers entspricht die abgebbare Nutzleistung der maximalen Verlustleistung einer Endröhre; mit zwei EL 84 sind somit im Idealfall höchstens 12 W erreichbar. In der Praxis, d.h. mit Restspannung und Übertragerverlusten, wird man mit ca. 1 W rechnen können. Die aus dem Netzteil entnommene Leistung ist (idealisiert) aussteuerungsunabhängig, sie entspricht der maximalen Verlustleistung beider Endröhren bei 2 x EL 84 also 24 W für die Anodenströme, zzgl. ca. 2.8 W Schirmgitterleistung, zzgl. ca..8 W für den gemeinsamen Kathodenwiderstand. Dieser Widerstand ist so zu dimensionieren, dass in Ruhe der Kathodenstrom (im Beispiel.11 A) an ihm gerade die benötigte Gittervorspannung erzeugt (7.3 V). Der optimale Anoden-Lastwiderstand, und damit das Übertrager-Übersetzungsverhältnis, ist wie beim Eintakt-A-Verstärker aus der Steigung der Arbeitsgeraden zu ermitteln. Sowohl beim Eintakt-A-Verstärker als auch beim Gegentakt-A-Verstärker muss jede Röhre denselben Lastwiderstand R opt "sehen". Bei der Berechnung des Gegentakt-A-Verstärkers ist zu berücksichtigen, dass jede (halbe) Primärwicklungen zwei Lastwiderstände "sieht": Die Sekundärwicklung als passive Last, und die andere (halbe) Primärwicklung als aktive Last! Bei der Gegentakt-A-Schaltung darf die Belastung der einzelnen Röhre deshalb nicht einfach aus dem Übersetzungsverhältnis berechnet werden (Impedanz-Paradoxon, Kap )! Wenn das Windungsverhältnis beim Eintakt-A-Verstärker z.b. N p : N s = 24 : 1 beträgt, so erhält man beim Gegentakt-A-Verstärker (bei vergleichbaren Bedingungen) N p1 : N p2 : N s = 17 : 17 : 1. Für einen EL-84-Verstärker mit U B = 2 V spezifiziert das Datenblatt beim Eintaktbetrieb einen optimalen Anoden-Lastwiderstand von R opt = 5.2 kω, beim Gegentakt-A-Verstärker beträgt der (gesamte) Primärwiderstand somit R aa = 1.4 kω. Beispiele zu speziellen Verstärkern werden am Kapitelende vorgestellt. M. Zollner 7

13 1.5 Endstufe Gegentakt-B-Betrieb Beim Gegentakt-B-Verstärker liegt der Arbeitspunkt nicht in der Mitte der Arbeitsgeraden, sondern an deren unteren Ende. Ohne Aussteuerung fließt nur ein kleiner Ruhestrom durch die Endröhren, das Netzteil wird weniger belastet, die Röhren nicht so heiß und trotzdem ist die erzielbare Ausgangsleistung größer als beim Gegentakt-A-Verstärker. Damit der Anodenstrom ohne Aussteuerung klein bleibt, muss die Gittervorspannung ziemlich negativ werden. Das ist aber (gerade wegen des kleinen Stroms) nicht mehr als Spannungsabfall am Kathodenwiderstand realisierbar deshalb liegen beide Kathoden auf Massepotential, und eine eigene Gleichspannungsquelle erzeugt die benötigte negative Gittervorspannung von immerhin V. In Abb ist diese Gleichspannungsquelle U g1 genannt, sie wirkt über zwei hochohmige Querwiderstände (z.b. 22 kω) und zwei Gitter- Vorwiderstände (z.b. 1 5 kω; es gibt aber auch Schaltungen ohne Gitter-Vorwiderstand). a I b P a = 12W a V -2V EL 84 U g2 = 3 V R = Ω g2-4v -6V U gk -8V U g1 U B -1V -12V AP 3 4 U a / 6 Abb : Ausgangs-Kennlinienfeld der EL 84, Schaltung der Gegentakt-B-Endstufe. -14V Die optimale Steigung der Arbeitsgeraden (und damit den optimalen Lastwiderstand) erhält man, wenn der Schnittpunkt zwischen der U gk = V-Kennlinie und der Arbeitsgeraden maximale Entfernung vom Arbeitspunkt hat. In Abb sind zwei verschiedene Arbeitsgeraden eingezeichnet: Die flacher verlaufende Gerade (b) gehört zu einem 2.-kΩ-Lastwiderstand, bei (a) beträgt der Lastwiderstand 1.6 kω. Dass dabei die Grenzleistungshyperbel geschnitten wird, ist unproblematisch: Die Röhre wird ja nur während einer Halbwelle belastet, somit bleibt der Mittelwert der Anoden-Verlustleistung unter dem zulässigen Grenzwert. Statische bzw. extrem tieffrequenter Ansteuerung ist bei typischen Gitarrenverstärkern nicht zu erwarten, ihre Endstufen werden über einen Hochpass angesteuert. Die maximal abgebbaren Leistungen der beiden Varianten unterscheiden sich nur wenig: Bei (a) ca. 19 W, bei (b) ca. 18 W. Zum Vergleich: Eine entsprechende Gegentakt-A-Endstufe könnte nur ca. 11 W erzeugen. Neben der maximal abgebbaren Leistung verdient aber auch die vom Netzteil zu liefernde Leistung Beachtung insbesondere, wenn die Endstufe wenig ausgesteuert wird. Bei der Gegentakt-A-Endstufe ist die Netzteil-Leistung aussteuerungsunabhängig, z.b. 24 W bei 2xEL84. Demgegenüber muss bei der Gegentakt-B-Endstufe das Netzteil (je nach Ruhestrom) nur ca. 3 W liefern. Abb zeigt die Leistungsbilanz, allerdings ohne Schirmgitterleistung; hierfür sind (bei Vollaussteuerung) pro Röhre ca. 3 W zusätzlich anzusetzen. Im B-Betrieb ist die Ausgangsleistung größer, und die Röhren-Verlustleistung (Differenz der beiden Kurven) kleiner: Die maximale Anoden-Verlustleitung ist im B-Betrieb nur ungefähr halb so groß wie im A-Betrieb. M. Zollner 7

14 Gitarrenverstärker 3 Gegentakt-B 3 Gegentakt-A W W 25 P Netzteil 25 P Netzteil 2 b P Audio a b 2. P a a P a P Audio I a / I a / Abb : Zusammenhang zwischen Netzteil-Leistung (ohne g 2 -Leistung) und Ausgangsleistung P Audio. Die Differenz der beiden Kurven entspricht der Anoden-Verlustleistung 2 P a beider Röhren. (U B = 3V). Der relativ gute Wirkungsgrad der Gegentakt-B-Schaltung ergibt sich daraus, dass jede Röhre nur dann einen großen Anodenstrom leitet, wenn tatsächlich Leistung an den Verbraucher abgegeben wird hierzu muss der Arbeitspunkt an das untere Ende der Arbeitsgeraden gelegt werden. Dabei darf die Gittervorspannung aber nicht zu negativ werden, sonst kommt es zu Übernahmeverzerrungen (Abb ). Bei ausreichend großem Ruhestrom (linkes Bild) überlagern sich die beiden Röhrenkennlinien zu einer einigermaßen glatten Kurve, bei zu geringem Ruhestrom entsteht ein Sattelpunkt (Mitte und rechts), der einerseits die Verzerrungen ungerader Ordnung ansteigen lässt, und andererseits zu einer unerwünschten (progressiven) Aussteuerungsabhängigkeit der Kennliniensteigung führt (Kap ). Besondere Beachtung verdient die Tatsache, dass mit zunehmender Leistungsabgabe die Betriebsspannung, und damit auch die Schirmgitterspannung abnimmt was die Übernahmeverzerrungen noch verstärkt (Kap ). Ia Ia Ia AP AP AP U g / V U g / V Abb : Übertragungskennlinien bei unterschiedlicher Ruhestromeinstellung, Übernahmeverzerrungen. Rechts sind die zum mittleren Bild gehörenden Verzerrungen für zwei verschiedene Amplituden dargestellt. In der Literatur ist keine exakte Definition für den Arbeitspunkt bei Gegentakt-B-Betrieb zu finden, vielmehr ist allgemein vom "kleinen Anodenstrom" die Rede, gelegentlich sogar vom Anodenstrom, der im AP "fast zu null" wird. Was Siemens (und andere Röhren-Hersteller) aber nicht hinderte, für die EL34 im Gegentakt-B-Betrieb einen Ruhestrom von immerhin 35 zu spezifizieren. Mit Recht, denn der theoretische Fall, dass der Anodenstrom ohne Aussteuerung "fast null" wird, hat für die NF-Praxis so gut wie keine Bedeutung. Dass 35 "etwas mehr als fast null" sind, ist unumstritten ob diese Betriebsart aber überhaupt noch Gegentakt-B-Betrieb genannt werden darf, wird kontrovers diskutiert: Alternativ ist von Gegentakt-AB-Betrieb die Rede, oder vom Gegentakt-D-Betrieb, wobei man wissen muss, dass beide Bezeichnungen mehrdeutig sind! (Details in Kap ). M. Zollner 7

15 1.5 Endstufe 1-89 Nur bei kleiner Aussteuerung leiten im B-Betrieb beide Endröhren gleichzeitig, bei hoher Aussteuerung leitet jede Endröhre im Wesentlichen nur während einer Halbwelle. Dies ist bei der Dimensionierung der Drahtquerschnitte im Übertrager zu berücksichtigen: Nimmt man beispielsweise sinusförmige Aussteuerung an, und einen Anoden-Spitzenstrom von 141 (Abb ), so beträgt der Effektivwert nicht, sondern nur. Die Anodenspannung liegt im B-Betrieb ohne Aussteuerung knapp unter der Betriebsspannung U B (z.b. 3 V). Während der Halbwelle, bei der die Röhre leitet, nimmt die Anodenspannung bis zur Restspannung ab (z.b. 3 V). Während der anderen Halbwelle (Sperrbetrieb) verharrt die Anodenspannung aber nicht auf der Betriebsspannung, sondern nimmt bis fast zum Doppelten dieses Wertes zu (z.b. 57 V)! Die Primärwicklung ist bei gesperrter Röhre nämlich so gut wie unbelastet, und der von der anderen (aktiven) Röhre erzeugte Magnetfluss induziert an dieser unbelasteten Wicklung eine hohe Spannung. Bei Endstufen, die mit höherer Betriebsspannung arbeiten, können noch wesentlich gefährlichere Spannungen entstehen: Z.B. Fender-Verstärker: 8 V, -W-Marshall: 1 V. Diese hohen Spannungen stehen nicht im Widerspruch zu Datenblattangaben, bei denen als maximale Anodenspannung z.b. 8 V spezifiziert wird; hiermit ist nämlich die Ruhespannung (ohne Aussteuerung) gemeint. Beispielsweise legt das Datenblatt der EL 34 als maximale Anodenspannung 8 V fest, lässt aber im Sperrbetrieb als maximale Anoden-Spitzenspannung V zu. Derart hohe Spannungen können leicht entstehen, wenn der Verstärker nicht am Nennwiderstand, sondern an einer höherohmigen Last (Leerlauf) betrieben wird. Häufig kommt es dann zu Funkenüberschlägen zwischen den Anschlussstiften 3 und 2 (Anode / Heizung), wodurch der Röhrensockel und/oder die Röhrenfassung zumeist irreversibel beschädigt wird. Noch gefährlicher ist ein isolationszerstörender Funkenüberschlag im Ausgangsübertrager, da für ihn oft kein adäquater Ersatz zur Verfügung steht. Noch ein paar Bemerkungen zu scheinbar "nutzlosen" Bauteilen: Ihr Vorhandensein ist häufig praktischen Erkenntnissen zuzuschreiben. Der in Reihe zum (scheinbar hochohmigen) Steuergitter liegende Gitter-Vorwiderstand (1 5 kω) reduziert die Schwingneigung der Endstufe. Hochfrequente Eigenschwingungen können auftreten müssen aber nicht. Es kann gut sein, dass eine Endstufe auch ohne diese Widerstände problemlos arbeitet, trotzdem sollte man sie nicht generell weglassen: Bei jedem Röhren- oder Lautsprecherwechsel ergeben sich andere Stabilitätskriterien, sodass diese Mehrkosten gut investiert sind. Ähnlich verhält es sich mit kleinen Kapazitäten (1 pf): Sofern sie nicht direkt Teil der Klangfilterstufen sind, sollen sie vermutlich HF-Schwingungen unterbinden. Gut möglich, dass sie so groß dimensioniert wurden (werden mussten?), dass der Gitarrenklang hörbar an Brillanz verliert dann eröffnet sich ein weites Feld für Verbesserungsmaßnahmen, aber auch die Chance, einen leistungsfähigen HF-Sender zu betreiben. Da Endstufen-Eigenschwingungen durchaus im UKW- Bereich ( MHz) auftreten können, empfiehlt es sich, zur Stabilitätskontrolle ein breitbandiges Oszilloskop einzusetzen. Selbstverständlich darf man derartige Schwingungen nicht als "unhörbar" und damit irrelevant abtun: Zum einen ist der Betrieb eines derartigen Störsenders unzulässig, zum anderen werden hiermit die Endröhren u.u. massiv überlastet, und außerdem können durchaus hörbare Folgesymptome entstehen. M. Zollner 7

16 Gitarrenverstärker Gegentakt-AB-Betrieb, Gegentakt-D Eine Gegentakt-AB-Endstufe arbeitet bei kleinen Steuerspannungen im Gegentakt-A-Betrieb, bei großer Aussteuerung im Gegentakt-B-Betrieb soweit besteht Einigkeit in der Literatur. Im Detail beginnen die Unterschiede, lassen sich drei verschiedene Definitionen finden, die im Folgenden mit alt, alternativ und neu bezeichnet werden sollen. Nach der alten Definition ist der AB-Betrieb ein B-Betrieb mit etwas vergrößertem Ruhestrom, wobei zwischen AB 1 (ohne Gitterstromfluss) und AB 2 (mit Gitterstrom) unterschieden wird. Eine präzise Vorgabe für den AB-Arbeitspunkt existiert nicht, er liegt (im Ausgangskennlinienfeld) "irgendwo zwischen" dem A-AP und dem B-AP, was nicht selten dazu geführt hat, genau die Mitte zwischen dem A-AP und dem B-AP als AB-AP zu definieren. Beispiel: Wenn bei der EL84 der Ruhestrom im A-Betrieb und im B-Betrieb 1 beträgt, dann muss er im AB- Betrieb (laut Datenblatt) 3 betragen. Ob die Gittervorspannung der AB-Schaltung "automatisch" durch einen Kathodenwiderstand oder durch eine zusätzliche Spannungsquelle zu erzeugen ist, wird in der alten Literatur nicht spezifiziert. Hier bemüht sich die alternative Definition um Präzisierung: Im AB-Verstärker kann sich der Arbeitspunkt signalabhängig verschieben: Da mit zunehmender Aussteuerung der Kathodenstrom (wg. Kennlinien-Nichtlinearität) immer unsymmetrischer wird, vergrößert sich der Spannungsabfall am kapazitiv überbrückten Kathodenwiderstand und verschiebt dadurch die mittlere Gitter/Kathodenspannung zu negativeren Werten. Aus einem A-Betrieb wird so mit zunehmender Aussteuerung ein B-Betrieb (Abb ). Hingegen werden nach der alternativen Definition alle Endstufen Gegentakt-D-Verstärker genannt, die ihre Gittervorspannung ohne Kathodenwiderstand (nur) mit einer Spannungsquelle erzeugen und einen (gegenüber dem B-Betrieb) erhöhten Ruhestrom aufweisen [z.b. H. Schröder, W. Knobloch]. Generell unberücksichtigt bleibt aber die Polarisation des Koppelkondensators, die ebenfalls zu einer aussteuerungsbedingten Arbeitspunktverschiebung führt. A B D AB Abb : Ausgangskennlinien und Arbeitspunkt: Gegentakt-A- bzw. -B-Verstärker (links), Gegentakt-D- Verstärker gemäß alternativer Definition (Mitte), Gegentakt-AB-Verstärker nach alternativer Definition (rechts). Die neue Definition versteht unter dem D-Betrieb dann etwas ganz anderes, nämlich Schaltbetrieb (Puls-Weiten-Modulation PWM = Puls-Dauer-Modulation PDM). Der AB-Betrieb ist nach neuer Definition ein B-Betrieb mit erhöhtem Ruhestrom, der Arbeitspunkt ist fest. Vermutlich entstand diese "neue" Terminologie erst, als Bipolartransistoren die Endröhren verdrängten. Da die Arbeitspunkteinstellung beim Transistor nach anderen Kriterien verläuft, gab es keinen aussteuerungsabhängigen Arbeitspunkt mehr, und die Bedeutungen änderten sich. Beim typischen Gitarrenverstärker steht Klirrfaktorminimierung im Gegensatz zur HiFi- Endstufe nicht im Vordergrund. Deswegen dominiert die AB-Endstufe alter Art, deren Ruhestrom nach speziellen Kriterien eingestellt wird (Kap ). Auch der AC-3 gehört zu dieser Gruppe, und nicht zu den Gegentakt-A-Schaltungen (Kap ). M. Zollner 7