A,- B-, A/B- & D-Verstärker mit Röhren

Von einem Verstärker wird erwartet, daß er das Eingangssignal möglichst verzerrungsfrei verstärkt. Man muß dafür den Arbeitspunkt und den Lastwiderstand  der Röhrenstufe entsprechend wählen, wie es idealisiert für eine Pentodenstufe bzw. eine Triodenstufe gezeigt ist. Bei einer Lautsprecherröhre ist der Wert des Widerstandes R_L = 2 ΔU_a/2I _{a max}   und damit die Steigung der Widerstandsgeraden durch den mittels des Ausgangstransformators transformierten Wert des Widerstands des Lautsprechers bestimmt.

Wenn der Arbeitspunkt P der Verstärkerstufe genau in der Mitte des Aussteuerbereichs liegt, wird das mit A-Betrieb bezeichnet. Liegt kein Eingangssignal an, hat die Gittervorspannung den (negativen) Wert U_g. Der Anodenstrom I_a hat die Hälfte seines Maximalwertes I_{a max}. Entsprechend ist die Anodenspannung U_a halb so groß wie die Versorgungsspannung U_B. Das hat zur Folge, daß eine A-Stufe im Mittel, d.h. auch bei Aussteuerung durch ein Signal, stets die gleiche Leistung aufnimmt. 

Bei gleichen Röhren kann man dann in einer Gegentakt-A-Schaltung die doppelte Ausgangsleistung erhalten. Da die beiden Röhren aber im A-Betrieb laufen, ist die Leistungsaufnahme (auch ohne Ansteuerung) stets gleich groß.

Wie aus der Phasenlage der beiden Eingangsspannungen zu erkennen ist, sind sie gegenphasig zu einander zu wählen, weshalb eine Gegentaktstufe entweder einen Gegentakt-Eingangstrafo oder eine Phasenumkehrstufe benötigt.

Bei einer Gegentaktschaltung läßt sich die Leistungsaufnahme ohne Ansteuerung deutlich reduzieren. Allerdings arbeiten dann die beiden Röhren nicht mehr durchgehend linear, wie anhand der  (idealisierten) Eingangskennlinien erkennbar wird. Nur im Zusammenspiel beider Röhren wird das Eingangssignal linear verstärkt.

Durch Verschiebung des Arbeitspunktes zu negativeren Werten der Gitterspannung kommt man so vom A-Betrieb über den A/B-Betrieb zum B-Betrieb.
Wären die Röhrenkennlinien in der Praxis so ideal wie in Bild 47 gezeichnet, würde man dem B-Betrieb den Vorzug geben, weil hier bei fehlender Ansteuerung auch der Anodenstrom verschwindet, was gut für den Wirkungsgrad der Schaltung ist.

Tatsächlich sind die Röhrenkennlinien gekrümmt und ergänzen sich bei einer Gegentaktschaltung auch nicht zu einer Geraden, wodurch dann im Ausgangssignal Verzerrungen entstehen. Diese Verzerrungen entstehen dann bei kleinen Ausgangsspannungen und zwar um so mehr, je weiter der Arbeitspunkt in Richtung B-Betrieb gewählt wird. Derartige Verzerrungen werden mit Übernahmeverzerrungen bezeichnet.

Der A/B-Betrieb wird gegenüber dem B-Betrieb bevorzugt, wenn auf geringere Verzerrungen Wert gelegt wird. Im nächsten Bild wird der typische Verlauf des Klirrfaktors der verschiedenen Betriebsarten dargestellt.

Während der A- & A/B-Betrieb eines Gegentaktverstärkers für kleine Ausgangsleistung (Sprechleistung) einen geringeren Klirrfaktor als der B-Betrieb hat, läßt sich mit dem B-Betrieb eine insgesamt höhere Ausgangsleistung (für die gleichen Lautsprecherröhren) erzielen. 

Offensichtlich gibt es auch eine Kombination (D-Verstärker mit Röhren), die die Vorteile aus beiden Schaltungen vereinigt. Zur Analyse der verschiedenen Verstärkertypen eignen sich die jeweiligen Ausgangskennlinienfelder (für eine der Röhren gezeichnet).

• Bei A-Betrieb ist der Ruhearbeitspunkt genau in der Mitte der Widerstandskennlinie, während er beim B-Betrieb am unteren Ende liegt (Anodenstrom Null).
• Beim A/B-Betrieb wandert der Arbeitspunkt bei Aussteuerung. Während bei kleiner Aussteuerung der Ruhepunkt wie gewünscht den reduzierten Anodenstrom hat, verschiebt sich bei großer Aussteuerung der Arbeitsruhepunkt in Richtung Anodenstrom Null. (Dies ist ein Effekt, der auch vom Audion her bekannt ist: Gittergleichrichtung.)
• Die Verschiebung des Arbeitspunktes der A/B-Schaltung wird nun dadurch vermieden, daß die Gittervorspannung der Endröhren nicht mehr (allein) durch eine RC Kombination in der Katode erzeugt wird, sondern daß die negative Gittervorspannung (wie auch im B-Betrieb) niederohmig aus dem Netzgerät entnommen wird. Dies wird dann mit D-Betrieb bezeichnet.

[Hinweis: Bei Transistorverstärkern ist ebenfalls ein D-Betrieb definiert, der aber im Unterschied zu hier ein Gegentakt-Schalt-Betrieb ist.]

Zur Ergänzung hier noch ein Bild, bei dem die Arbeitskennlinien in ein Ausgangskennlinienfeld einer Triode eingezeichnet sind.

Wie diesen beiden Bildern entnommen werden kann, hat die Arbeitsgerade beim A-Betrieb eine andere Steigung als im B-Betrieb. Also hat ein Gegentakt-A-Verstärker einen höheren Außenwidertand als ein B-Verstärker, wie auch aus dem nächsten Bild hervorgeht.

Ein entsprechendes Ergebnis sieht man auch aus dem folgenden Bild, wo die beiden Ausgangskennlinienfelder eines Gegentaktverstärkers mit Trioden dargestellt sind.

Man erkennt (dick ausgezogen) die resultierenden Kennlinien, die nun ziemlich linear ausfallen. Weiterhin sind die entsprechenden Arbeitsgeraden für den A-Betrieb (a₁ für Eintakt, a₂ für Gegentakt) und für B-Betrieb zu sehen.

Das nächste Bild zeigt nun eine typische Schaltung eines A/B-Verstärkers, bei dem die negative Gitter-Vorspannung durch eine RC Katodenkombination gewonnen wird.

Deutlich erkennbar ist in diesem Schaltbild aber auch, daß vor jedem Steuer-Gitter der Endröhren eine CR Kombination wie bei einem Audion liegt. Betrachtet man das I_aU_g Kennlinienfeld im Bild 47 weiter oben, ist erkennbar, daß es bei großer Aussteuerung des A/B-Verstärkers zu Verschiebungen des Arbeitspunktes kommen muß (ganz ähnlich wie bei einem Audion).

Der B-Verstärker und der D-Verstärker entnehmen ihre negativen Vorspannungen der Steuergitter der beiden Endröhren einer niederohmigen Quelle, wie z.B. in Bild 477 gezeigt ist.

Bild 470c zeigt eine zusätzliche Möglichkeit für einen D-Verstärker, bei dem durch die Beschaltung mit einem (bipolaren) Elko zwischen den beiden Katoden der Endröhren für die Nutzstöme (wie gewünscht) ein Kurzschluß besteht, jedoch für geradzahlige Obertöne eine Gegenkopplung durch die Katodenwiderstände R_k erfolgt.

Literatur:

Pitsch, H.: Lehrbuch der Funkempfangstechnik, 4.A., VAG, 1963

Bartels, H.: Grundlagen der Verstärkertechnik, 4.A., Hirzel, 1954

Diciol, O.: Niederfrequenzverstärker-Praktikum, Franzis, 1959

Knobloch, W.: Röhren, Transistoren, NF-Verstärker, C.F. Winter, 1964

MfG DR

Für diesen Post bedanken, weil hilfreich und/oder fachlich fundiert.

In "Balcke, E., Heisterberg, J.: HF- und Verstärkertechnik; Aufgaben- und Formelsammlung, VEB Technik, 1969" findet man brauchbare "Kochrezepte" zur Dimensionierung von NF-Leistungsverstärkern, wobei ebenfalls der "D-Betrieb" (für Röhrenverstärker) behandelt wird.

(Wer lieber mit Formeln arbeitet, kann bei der allgemeingültigen Theorie zur Dimensionierung von Endstufen nachschauen.)

Die Betriebsarten von Verstärkern  werden anhand der Arbeitspunkte A auf den I_a/U_g Kennlinien der Endröhren vorgestellt.

• Bei a) ist der A-Betrieb gezeigt, wo der Arbeitspunkt A in der Mitte des (geradlinigen) Teils der Kennlinie liegt.
• Bei b) ist der B-Betrieb gezeigt, wo der Arbeitspunkt A am unteren Ende der Kennlinie liegt (Ruhestrom fast Null). Als Leistungsverstärker für NF führt das zu Übernahmeverzerrungen.
• Bei c) und d) ist ein gewisser Ruhestrom gewählt, wodurch die Übernahmeverzerrungen reduziert werden. Die Arbeitspunkte IA bzw. A liegen an derselben Stelle der Kennlinie. Es gibt aber (schaltungstechnisch) folgenden Unterschied: Bei Aussteuerung verschiebt sich der Arbeitspunkt IA in Richtung B-Betrieb. Dies ist der A/B-Betrieb. Dagegen wird der Arbeitspunkt A (auf der Kennlinie d) durch eine externe Gittervorspannung festgehalten. Dies ist der D-Betrieb.
• Bei e) ist der Arbeitspunkt A so weit zu negativen Gittervorspannungen verschoben, daß keinerlei Ruhestrom fließt. Das ist der C-Betrieb. Der Anodenstrom wird dadurch so verzerrt, daß eine unverzerrte Ausgangsspannung nur noch dadurch erhalten werden kann, daß mit Hilfe eines Schwingkreises (Filters) die Verzerrungen beseitigt werden. Die Anwendung ist daher auf HF-Leistungsverstärker beschränkt. Die Ansteuerung wird dann so groß gewählt, daß die Röhre i.w. nur noch schaltet, wodurch der Wirkungsgrad groß wird.

Eintakt-A-Betrieb

Bei rellem Lastwiderstand R_L ergeben sich die folgenden Verhältnissse.

In diesem Bild sind die Zeitverläufe der Gitterwechselspannung u₁(t), des Anodenstroms i₂(t) und der Anoden-Wechselspannung u₂(t) eingezeichnet. R_iL ist der Leistungsinnenwiderstand der Röhre. Um Verzerrungen der Ausgangsspannung zu reduzieren wird in der Praxis nicht zwischen den Punkten a und b, sondern nur zwischen a und b' ausgesteuert.

Bei NF-Leistungsverstärkern mit Röhren wird meist eine Trafo-Kopplung verwendet, weil der Widerstand R_v des Verbrauchers (Lautsprecher) niederohmig ist.

Der niederohmige Verbraucherwiderstand R_v wird mit ü²=(N₁/N₂)² in den Widerstand R_L transformiert.

Die Bestimmung der Werte von R_L und R_iL erfolgt (näherungsweise) aus dem Ausgangskennlinienfeld der Röhre.

Die Wahl des Arbeitspunktes A ist definiert durch die Anodenspannung U_a0 und den Anoden-Ruhestrom I_a0.  Die Steigung der Lastgeraden Z_L ist dann so zu wählen, daß die beiden Werte i_a' und i_a" möglichst gleich groß werden, damit sich ein Minimum des Klirrfaktors ergibt.

Für den Fall einer EL84 ergibt sich die folgende Situation.

Der Arbeitspunkt A liegt auf der Hyperbel für die zulässige Anodenverlustleistung von 12W. Man findet so den geeigneten Lastwiderstand R_L von 5,5 kΩ. (Der ebenfalls eingezeichnete Lastwiderstand von 2kΩ ergibt sich für den Gegentakt-B-Betrieb.)

Der Verlauf des Klirrfaktors für Pentoden (links) und für Trioden (rechts) ist im nächsten Bild dargestellt.

Bei Pentoden fällt das Minimum des Klirrfaktors k mit dem Maximum der abgegebenen Leistung P_~ näherungsweise zusammen, während bei Trioden sich der Klirrfaktor mit steigendem Lastwiderstand R_L stetig verringert, wobei dann allerdings die abgegebene Leistung schließlich ebenfalls immer geringer wird.

Gegentakt-A-Betrieb

Die Schaltung kann i.w. wie für den Eintakt-A-Betrieb dimensioniert werden. Zur Phasenumkehr wird hier ein Eingangstransformator verwendet.

Die Aussteuerungsverhältnisse für die beiden Röhren sind im nächsten Bild dargestellt.

Als Wechselstrom-Ersatzschaltbild für den Gegentakt-A-Betrieb ergibt sich:

Die Vorteile des Gegentakt-A-Betriebs sind:

• Keine Gleichstrom-Vormagnetisierung des Ausgangsübertragers.
• Geringerer Klirrfaktor, da sich geradzahlige Oberschwingungen im Ausgangsübertrager kompensieren.
• Die Brummspannung (auf der Anodenspannung) kompensiert sich.
• Über die Betriebsstromquelle fließt kein Signalstrom.

Gegentakt-B-Betrieb

Die feste (negative) Vorspannung ist im Schaltbild durch eine Batterie dargestellt. Als Phasenumkehrstufe wird hier eine Röhre verwendet.

Im B-Betrieb führen die Röhren nur wechselseitig Strom, wie das folgende Bild zeigt.

Entsprechend ändert sich dadurch das Wechselstrom-Ersatzschaltbild des B-Betreibes.

Wie zu erkennen ist, hat nun der resultierende Widerstand R_L'=R_aa den Wert 4R_L.  Die Größe von R_L ermittelt man wieder aus dem Kennlinienfeld der Röhre, wie schematisch gezeigt.

Für den Fall der EL84 kann man aus dem Kennlinienfeld das folgende auslesen.

Jetzt ist der Arbeitspunkt A auf 300V/5mA festgelegt, so daß nun die Verlusthyperbel bei R_L=2kΩ nicht überschritten wird. R_L=2kΩ entspricht R_aa=8kΩ, wie es im Datenblatt der EL84 für Gegentaktbetrieb angegeben ist.

Aus dem Beispiel eines Lastwiderstandes von R_L=750Ω, der dichter beim Wert des Leistungsinnenwiderstandes   R_iL  der Röhre liegt als   R_L=2kΩ, sieht man, daß mit diesem geringeren Lastwiderstand weniger Ausgangsleistung erzielt werden kann, denn dafür gäbe es bei gleicher Strom-Amplitude eine geringere Spannungs-Amplitude. Bei Röhrenverstärkern kann also nicht die "übliche" Anpassung mit   R_L= R_iL  gewählt werden.

Der hier angenommene Arbeitspunkt entspricht dem A/B- oder D-Betrieb, je nachdem, ob die Gittervorspannung der Endröhren gleitet oder aber fest ist.

Die resultierende Kennlinie mit kleinem Ruhestrom (A/B bzw. D) zeigt das nächste Bild.

Im Unterschied dazu zeigt der B-Betrieb deutliche Übernahmeverzerrungen, weshalb er für NF Anwendungen weniger geeignet ist.

MfG DR

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In "Terman, F.E.: Radio Engineering, 3rd ed., McGraw-Hill, 1947"  findet sich eine Definition des Gegentakt-B-Betriebs, die dem in der Deutschen Literatur aus dieser Zeit definierten "Gegentakt-D-Betrieb" praktisch entspricht, ohne aber dafür eine andere Bezeichnung zu verwenden.

Tatsächlich ist es bei Röhren schwierig, den B-Arbeitspunkt eindeutig so zu wählen, daß der Anodenstrom dort gerade exakt zu Null wird, weil die U_g1/I_a-Kennlinie an dieser Stelle sehr flach verläuft. Folglich ist ein so definierter B-Arbeitspunkt einigermaßen willkürlich, aber auch abhängig von der Streuung der Kennlinien der verwendeten Röhren. 

Dieses Problem umgeht die Definition nach Terman, indem der "Cut-Off" Punkt und damit der Arbeitspunkt für den B-Betrieb durch Extrapolation (projected cut-off) gewonnen wird.

Durch diese Wahl des B-Arbeitspunktes ist auch gewährleistet, daß die Übernahme-Verzerrungen gering werden. Der Wirkungsgrad der Schaltung wird dadurch gegenüber einem  weiter im Negativen gelegenen Arbeitspunkt nur wenig verschlechtert.

Da die Stromaufnahme eines B-Verstärkers stark von der Aussteuerung abhängt, weist Terman ausdrücklich darauf hin, daß das Netzteil eines B-Verstärkers einen kleinen Innenwiderstand haben muß,  damit die Anodenspannung nicht  aussteuerungsabhängig "wackelt".

Entsprechendes gilt für die negative Gittervorspannung. Da im Gegentakt-B-Betrieb die Röhren bis zu positiven Gitterspannungen angesteuert werden, um die maximal erzielbare Ausgangsleistung zu erhalten, fließt dann auch Gitterstrom, der zu Verschiebungen des Arbeitspunktes führt, wenn das Netzteil für die negative Gittervorspannung einen zu hohen Innenwiderstand besitzt.

Terman fordert deshalb, daß  sowohl die Anodenspannungsquelle als auch die Gittervorspannungsquelle eine "gute eingebaute Spannungsregelung" besitzen sollten, was de facto in beiden Fällen einen  gegen Null gehenden Innenwiderstand bedeutet.

Mit dem für den B-Betrieb vorgeschlagenen Arbeitspunkt und der Forderung nach einer festen Vorspannung für das Gitter 1 entspricht der B-Betrieb nach Terman aber dem in der zeitgenössischen Deutschen Literatur verwendeten "D-Betrieb" für Gegentakt-Verstärker mit Röhren.

Der "D-Betrieb" war daher in der angelsächsischen Literatur noch nicht "verbraucht" und konnte daher im Zusammenhang mit Transistor-Verstärkern "neu" vergeben werden, was nun der heute üblichen Definition des Class-D-Betriebes entspricht.

MfG DR

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In "Voorhoeve, N.A.J.: Niederfrequenz-Verstärkertechnik, Philips, 1952" sind die Eigenschaften der NF-Endstufen tabellarisch zusammengefaßt.

Bei den Gegentaktschaltungen ist n₁ die Gesamtzahl der Primärwindungen (beide Hälften zusammen) des Ausgangsübertragers. R_a gibt den günstigsten Anpassungswiderstand je Röhre an, also R_aa = 4R_a bei Gegnetaktübertragern. R_i ist der Leistungs-Innenwiderstand einer Endröhre.

MfG DR

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