Röhrenverstärker Selbstbau


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Gegenkopplungen für Röhrenverstärker

Röhrentechnisches

Gegenkopplungen im Röhrenverstärker

Eine Gegenkopplung führt einem Verstärker sein eigenes Signal in der Phase gedreht wieder zu, um Verzerrungen zu kompensieren und Frequenzabfälle an den Rändern des Freqenzbandes (beim Bass und im Hochtonbereich), die z. B. durch Ausgangsübertrager entstehen können, auszugleichen.

Mit dem Einsatz der Gegenkopplung erkauft man sich immer einen Verstärkungsverlust. Sie ist kein Allheilmittel - denn sie führt dem Verstärkereingang ein Signal zurück das im Prinzip schon einmal den Verstärker durchlaufen hat. Im Extremfall ist das zu spät. Die frühen Transistorverstärker mit Germanium Leistungstransistoren hatten damit ein Problem. Diese Transistoren waren zu langsam. Erst moderne Transistoren in neuer Herstellungstechnologie (2N3055) lösten es.

Bei Röhren traten diese Schwierigkeiten nie extrem auf. Ihre sogenannte Transitfrequenz (bei der die Verstärkung = 1 wird) war immer um (mehrere) Zehnerpotenzen höher als die der frühen Germaniumtransistoren.

Prinzip der Gegenkopplung

Die Grafik zeigt was vom Grundsatz her gemeint ist. Das "Kästchen" steht dabei als Symbol für unseren Verstärker. Vom Ausgang wird ein Teil der bereits verstärkten Tonfrequenz an den Eingang des Verstärkers zurückgeführt. Wichtig ist hier die richtige Phasenlage der zurück geführten Tonfrequenz. Wenn am Verstärkereingang grade die positive Halbwelle eines Sinus zugeführt wird, stellt die Gegenkopplung ihr die negative Halbwelle entgegen. Das ist einer der Gründe dafür, das die Verstärkung absinkt, denn wenn wir ein um 180 Grad versetztes Signal dem Eingang wieder zuführen dann passiert rechnerich folgendes:

Ue - Ugk = Udiff

Ue steht hierbei für die Eingangsspannung ohne Gegenkopplung, UgK ist der Teil der Spannung die wir vom Eingang phasengedreht zurückführen. Udiff die Differenz der beiden, die wirksam wird und durch die Gegenkopplung niedriger ist.

Ob in unseren "Kästchen" nur eine oder mehr Verstärkerstufen sind, ist erst mal unwichtig. Wir werden später nur sehen (und in der Praxis erfahren) das dieses Vorhaben umso schwieriger wird je mehr Verstärkerstufen in die Gegenkopplung einbezogen werden.

Gegenkopplung con Anode zu Gitter

Eine in sich gegengekoppelte Verstärkerstufe

Diese Schaltung zeigt eine Möglichkeit der Gegenkopplung. An der Anode tritt die Ausgangsspannung um 180 Grad versetzt zur Eingangsspannung auf und wird über CgK und RgK wieder anteilig an das Gitter zurückgeführt. Der Kondensator CgK hält dabei die Gleichspannung der Anode vom Gitter der Röhre fern. Der Widerstand Rg bildet zusammen mit dem Widerstand Rgk einen Spannungsteiler, die Ohmwerte der beiden Widerstände legen fest, wie stark unsere Gegenkopplung wird. Der Fachmann spricht hier von einer Spannungsgegenkopplung weil die über Ckg und RgK zurückgeführte Spannung immer proportional zur Ausgangspannung ist. Dabei veringert sich auch der Innenwiderstand der Röhre.

Cgk kann genutzt werden um z. B. hohe Frequenzen stärker gegenzukoppeln als niedrige. Wenn er z. B. bei 50 - 200 pF liegt, wird die Wiedergabe dumpfer, weil dieser Kondensatorwert, für die tiefen Frequenzen einen zusätzlichen Widerstand darstellt, die hohen Frequenzen aber ungehindert durchlässt. Oder andersrum erklärt, wenn nur die hohen Frequenzen durch Cgk an das Gitter zurückgeführt werden, dann werden auch nur diese gegengekoppelt und damit abgesenkt.


In diesem Fall spricht man von einer Frequenzabhängigen Gegenkopplung. Meist ist das nicht erwünscht, CgK sollte also mindestens genauso groß sein, wie der Koppelkondensator zur nächsten Verstärkerstufe führt, also das gesamte Spektrum der Tonfrequenzen übertragen.


Stromgegenkopplung einer Triode

Die Stromgegenkopplung

Mit einen Bauteil weniger kann man ganz einfach eine einzelne Stufe gegenkoppeln. Hier wird nur der Kondensator weggelassen, der den Kathodenwiderstand überbrückt. Von Stromgegenkopplung spricht man nun, weil jetzt die Gegenkopplung proportional zum Strom wird, der durch die Röhre fließt. Die Phasenlage dieser Tonfrequenz an der Katode ist wieder exakt um 180 Grad gedreht gegenüber der Tonfrequenz an der Anode, womit die Bedingung für die Gegenkopplung erfüllt ist.


Ohne den Kathodenkondensator wird Rk zu einen Teil des gesamten (Wechselstrom)Widerstandes, der in Serie zur Röhre und zum Anodenwiderstand liegt, wobei die Spannung an Rk sich wieder gegenläufig (wegen der Phasendrehung) zur Spannung an Ra verhält. In dieser Anordnung erhöht sich scheinbar der Innenwiderstand der Triode.



Gegenkopplung unterteilter RK

Nur ein "Quentchen" Stromgegenkopplung
Manchmal ist soviel Gegenkopplung, wie es durch den nicht mit einem C überbrückten Katodenwiderstand möglich ist, nicht erwünscht. Die Absenkung der Verstärkung wird schon sehr deutlich spürbar. In diesem Fall wird der Katodenwiderstand unterteilt, um weniger Gegenkopplung zu erzielen. Oft genügt ja nur ein "Hauch" davon, um die Widergabequalität hörbar zu verbessern. Grade dann, wenn der Katodenwiderstand mehrere Kiloohm gross sein soll, ist diese Schaltung sinnvoll.

Wenn unsere Vorverstärkerröhre z. B. mit einen Katodenwiderstand von 2,2 KOhm richtig arbeitet. dann bietet es sich an einen Widerstand von 1,8 KOhm mit einen von 470 Ohm zu kombinieren. Nur an diesen 470 Ohm Widerstand wird dann die Gegenkopplung wirksam (es ist der untere der beiden), wenn der größere direkt an die Katode angeschlossen wird und mit einen Katoden C überbrückt wird. Die 70 Ohm mehr werden sich meist nicht auswirken und liegen im 5% Toleranzbereich der Widerstände selbst.

In vielen Schaltungen wird zwischen den beiden Katodenwiderständen die "Über-Alles-Gegenkopplung" zugeführt, die wir hier so nennen, weil sie von der Sekundärseite unseres Ausgangsübertragers ausgeht und ohne Einbeziehung der Treiberröhre oder der Phasenumkehrstufe die Tonfrequenz an die erste Röhre im Verstärker zurückführt.

Die "Über-Alles-Gegenkopplung"
Wenn der Weg vom Ausgang des Verstärkers zum Eingang über mehrere Stufen der Verstärkers läuft rede ich von der "Über-Alles-Gegenkopplung". Der Amerikaner kennt es als "Negativ Feedback - Loop" Die Grafik zeigt was gemeint ist.

Diese Gegenkopplung bezieht sämtliche Verstärkerstufen ein, mitsamt Ausgangsübertrager und Lautsprecher. Grade dort wird der Klang durch die Tatsache verbogen, das der Lautsprecher seine Impedanz nicht über den ganzen Frequenzbereich beibehält. Die 4 oder 8 Ohm die der Hersteller nennt sind nur in einen begrenzten Frequenzbereich zutreffend. Bestimmte Frequenzen werden also entweder benachteiligt (weil von den 4 Ohm dann möglicherweise nur 2 - 3 Ohm übriggeblieben sind) oder überhöht (Im Bereich der Eigenresonanz dürfen es dann auch mal 6 oder mehr Ohm sein).

In der Folge ändert sich die Höhe der Spannung die durch diese Gegenkopplung an den Eingang zurückgekoppelt wird.

Genau das veranlasst den Verstärker dazu dies auszugleichen. Das Muster ist einfach. Lautsprecherimpedanz sinkt - die Spannung die phasengedreht zurückgeführt wird sinkt - und die Verstärkung des Verstärkers steigt.

Die folgenden Eigenschaften des Röhrenverstärkers werden beeinflusst:

Der Frequenzgang. Oft ist der Übertrager der Flaschenhals im Röhrenverstärker. Das Ideal für einen Ausgangsübertrager wäre ein Frequenzgang von 20 Hz bis 20.000 Hz der linealgrade verläuft. Der Übertrager bringt diese Eigenschaft meist nicht vollkommen mit. Hier hilft die Über-Alles-Gegenkopplung in einem weiten Frequenzbereich diese Linearität zu erwingen.
Die Verstärkung selbst. Wie bei jeder Gegenkopplung geht sie zurück. Theoretisch kann man diesen Parameter mit der Gegenkopplung auf 0 bringen, dafür bräuchten wir aber keinen Verstärker. Im Studiobereich oder beim Rundfunk wurden die Übertragungsverstärker sehr stark gegengekoppelt, was schon Anfang der 50er Jahre zu Studioequipment führte das tramhafte Daten hatte. Erinnert sei hier an den V 69 einen 25 Watt Verstärker der mit zwei Röhren F2a11 arbeitet.
Der Dämpfungsfaktor. Auch hier sind wir wieder beim Zusammenspiel unseres Röhrenverstärkers mit dem Lautsprecher. Der Dämpfungsfaktor bezeichnet nichts anderes als das Zahlenmässige Verhältnis zwischen dem Innenwiderstand des Verstärkers und dem des Lautsprechers. Ein hoher Dämpfungsfaktor gilt als Garant dafür, das der Verstärker den Lautsprecher im Griff hat und nicht umgekehrt. Der Transistorverstärker mit seinen niedrigen Ausgangswiderstand hat hier kein Problem. Beim Röhrenverstärker setzt wieder der Übertrager eine Grenze. Wenn z. B. die 4 Ohm Sekundärwicklung des Ausgangsübertragers 0,4 Ohm (Gleichstrom)Widerstand hat dann beträgt das Verhältnis grade mal 10 (4/0,4 = 10). Die Lautsprecherkabel sind da genauso wenig drin in der Rechnung, wie die Veränderungen der Impedanz die bei Lautsprechern in kritischen Frequenzbereichen auftreten. Die Über-Alles-Gegenkopplung trägt dazu hier dazu bei, genau diesen Innenwiderstand zu senken und sorgt für etwas mehr Kontrolle des Verstärkers über den Lautsprecher.

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