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Impedanz des Lautsprechers und Anpassung an die Röhre

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Papers » Basic principles of radio technique » Impedanz des Lautsprechers und Anpassung an die Röhre
           
Hans M. Knoll
Hans M. Knoll
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19.Apr.09 23:07
 
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Impedanz des Lautsprechers und dessen Anpassung mit einem Übertrager an die Endröhre. Version: v5a
 
Eine Betrachtung von   Hans M. Knoll (Zweitveröffentlichung)
 
Besprochen wird eine Endstufe in Eintaktschaltung, bestückt mit einer Triode oder Pentode. Die Tetroden- Version ist letztendlich mit der Pentode abgedeckt.
 
Man kann immer wieder an diversen Orten sehen, dass zwar keine genauen Kenntnisse vorhanden sind, aber doch das Thema Impedanz der Schwingspule im Lautsprechersystem und die Anpassung an die Röhre besprochen wird. Es liegt in der Natur der Sache, dass nicht jeder der sich hobbymäßig mit Röhren als Leistungsstufe befasst eine Ausbildung genossen hat, während dieser ausreichend Kenntnisse vermittelt wurden. Ausserdem ist nicht jedem die passende Literatur bekannt oder zugänglich, um sich das Wissen anzueignen.
Ich will hier versuchen, das Problem so darzustellen, dass es auch vom „Röhrenfreund“ verstanden wird.
 
#1 Der Lautsprecher mit Schwingspule, als „dynamisches Prinzip“ bekannt.
Jeder kennt den Ausdruck „Nennwiderstand“ oder „Schwingspulenwiderstand“ und was es sonst noch dazu gibt. Hat man die Angabe, ist es scheinbar klar was das ist. Ein 4Ohm Typ hat eben 4 Ohm und ein 32Ohm Typ 32 Ohm. Hat man das System ohne Angaben, gibt es seit langem Methoden das zu ermitteln.
In den Jahren vor 1970 war es eine beliebte Frage der Facharbeiterprüfung: welches Z (Impedanz) hat ein Lautsprecher, wie und mit was, wird das bestimmt?
Die Lösung: mit einem Ohmmeter den Gleichstromwiderstand messen. Das Ergebnis mit 1,2 multiplizieren oder eben 20 % dazuzählen. Ein als 4 Ohm benannter Lautsprecher hat dann: 3,33 Ohm als Gleichstromwert, das mal 1,2 = 3,996 Ohm oder glatt 4 Ohm.
Woher kommt nun der Faktor 1,2 ?
In den frühen Jahren der Radiotechnik hat man die Impedanz bei 800Hz angegeben.
Ab der 60er Jahren den Wert bei 1000Hz. Da muss dann mit ca.1,25 als Faktor gerechnet
werden. 
#2 Der Übertrager.
Nur unter Zuhilfenahme eines Übertragers, ist es möglich einen Lautsprecher mit 4Ohm an eine Röhre anzupassen die ihre volle Leistung an angenommen 7000 Ohm abgeben kann.
Dieser Wert findet sich in einschlägigen Tabellen. Hat man abweichende Bedingungen von Spannung und Strom an, in der Röhre, geht man so vor: Ua-k (Anode- Katode) dividiert durch den Ia (ohne Ig2) Bei 250 Volt und 36 mA sind das: 6,944 Kohm also rund 7000 Ohm einer AL4, EL3 oder EL11. Die EL84 mit 250V und 48 mA = 5200 Ohm. Eine kleinere Type EL95, bei 250V und 24mA = 10.416Kohm oder glatt 10000 Ohm.
 
Nachtrag: 26. Februar 2009
Diese Angaben gelten nur bei Pentoden und Tetroden.
Bei Trioden wäre ein möglichst grosser Aussenwiderstand für einen kleinen Klirrfaktor optimal. Leider fällt dabei im Gegensatz zur Pentode (Bild 125) die Ausgangsleistung mit dem Klirrfaktor nahezu gleichstark ab.(Bild 124)  (im TEXT bild 3 und 4) Man wählt daher als Kompromiss Ra = (3.. 4 x Ri ) Als Beispiel: Die AD1 hat einen Ri = 800 Ohm, benutzt wird ein Ra = 2300 Ohm,
Das US- Modell 2A3, 6A3 und 6A5, hat einen Ri = 800 Ohm Ra: empfohlen = 2500 Ohm.
 
Das Übertrager- Gesetz lautet: Spannungen und Ströme werden linear mit w1// w2 übersetzt,
die Widerstände jedoch mit dem Quadrat von w1//w2.
Um 4 Ohm auf 7000 Ohm zu transformieren braucht es ein Übersetzungsverhältnis von 7000 / 4 = 1750. Die Winddungszahlen Wurzel aus 1750 = 1: 41,83 also rund 1:42.
Damit ist zunächst einmal der Form genüge getan.
Die Röhre hat an der Anode einen Lastwiderstand von 7000 Ohm und arbeitet bei 800Hz nach Datenblatt.
Vorgabe:
Bei diesen Überlegungen wird stets davon ausgegangen, dass es sich um einen idealen Übertrager handelt, der hier benutzt wird. Diese Vereinfachung muss man Einführen um nicht zu tief in die Theorie einzutauchen.
Die Induktivität muss demnach gross gegenüber dem Impedanzwert der vom Lautsprecher transformatorisch bereitgestellt wird, oder anders ausgedrückt: die 7000Ohm müssen als transformierter Wert vorkommen, die Induktivität der Wicklungen muss dabei so gross sein, dass sie nur minimal auf den Wert einwirkt. Das geht dann gut, wenn genügend primäre und sekundäre Induktivität vorhanden sind. Im allgemeinen sind ein grosses Eisenpaket und viele Windungen das Merkmal dafür. Bei tiefen Frequenzen 50Hz und weniger, braucht es eine Primärinduktivität von 30 und mehr Henry. Dazu später was.
 
Wie sieht das bei anderen Frequenzen aus?
Nachdem die Schwingspule eine Induktivität darstellt, die in einem Magnetfeld ruht und auch von Eisen umgeben ist, bleibt es nicht bei der schoenen Formel R (DC) x 1,2 oder 1,25 = Impedanz.
Wird diese Spule in dem Magnetfeld hin- und herbewegt, stellt sie einen Generator dar, der gegen die angelegte Spannung ankämpft und den Strom der in der Spule fließen soll vermindert.
Das kann man leicht nachvollziehen, wenn man diese Schaltung benutzt.
Ein Generator liefert eine passende Spannung, diese hängt nur von der maximalen des Systems und dem untersten Messbereich der Anzeige wie Voltmeter oder Scope ab.
Wichtigstes Teil ist ein regelbarer Widerstand der geeicht ist, oder bei dem mit einem Ohmmeter der jeweilige Wert nachgemessen wird.
Bild 1
 
 
 
 
 
 
 
.
Wie viele Messpunkte man aufnimmt, liegt im eigenen Ermessen.
Das Messen ist ganz einfach, mit RV einen passenden Wert am Voltmeter einstellen, wenn Rx (der Lautsprecher) gewählt ist, jetzt auf RN umschalten, und mit RN der vorherigen Wert einstellen, das ist dann die Impedanz des Lautsprechers bei der eingestellten Frequenz. .
Es geht auch noch einfacher, aber so ist es besser einzusehen wieso!
Trägt man die gewonnen Werte auf Papier auf, sieht man eine ähnliche Kurve wie diese:
Bild 2
 
 
 
 
 
 
Diese Kurve zeigt und links bei 20 Hz was auch ziemlich dem Gleichstromwiderstand entspricht 2 Ohm. Das ist der Wert den ein Ohmmeter anzeigen würde.
Geht man nach rechts weiter, sieht man einen Wert der bei ca. 85Hz. 4 Ohm entspricht.
Das ist der Punkt des mechanischen Gebildes wo Resonanz herrscht und dort die Membrane die grösste Auslenkung erfährt. Wie oben gesagt, wirkt die von der Bewegung kommende Generatorspannung entgegen, und messtechnisch gesehen ist der Widerstand angestiegen.
Wenn man die Membrane festkleben würde, wäre der Buckel nicht vorhanden.
 Bei ca. 1000Hz sehen wir einen Wert von ca. 2,5 Ohm. Das ist der Wert aus der Formel R x 1,25 = Z bei 1000Hz.
Neuerdings wird als Z angeben, der niedrigste Wert nach der Resonanzfrequenz in Richtung 1000Hz. ( Diese Vorgabe findet man bei Philips in einem Datenbuch für Lautsprecher)
Das wären hier im Beispiel 2,0 Ohm. 
Geht man weiter nach rechts kommt man im Beispiel zu 7 Ohm bei 10.000Hz. Das ist nun eine Zunahme um den Faktor 3,5. Je nach Lautsprecher sind der Faktor 8 bis 10 möglich. Das hängt von vielen Faktoren ab.
 
Was bedeutet das aber für dein Anpassung die wir doch so schön berechnet haben?
Nichts anderes als dass, die Röhre bei 1000Hz den richtigen Wert an der Anode vorfindet, bei 10.000 Hz aber den 3,5fachen oder mehr.
#Was macht sie damit jetzt?
Das greift nun ganz weit zurück in den Anfangszeit des Radios.
Damals und heute, kann man lesen, dass eine Triode einen besseren Klang hat als die Pentode ( incl Tetrode) Man sprach in den dreissiger Jahren vom Trioden- oder Pentodenklang, dabei war die Pentode immer auf der Negativseite zu finden. Wo die Triode mit einem weichen, runden Klangbild verknüpft war.
 
Weil wie gezeigt, der Aussenwiderstand wegen der Induktivität der Schwingspule bei hohen Frequenzen zunimmt, wird sich auch was an der dynamischen Kennlinie der Leistungsröhre ändern.
Denn sowohl die Verstärkung als auch die Lage im Arbeitspunkt wird mit dem verändertem Z beeinflusst.
Bilder 3 und 4
 
 
 
 
  
Diese Kurven links Triode und rechts Pentode, zeigen den Verlauf der Leistung und der dazu auftretenden Verzerrungen bei geändertem Aussenwiderstand.
Bei der Triode nimmt die Leistung bei zunehmenden Aussenwiderstand zu, um dann wieder abzufallen. Die Verzerrungen nehmen Anfangs stark ab um dann weiterhin weniger zu werden.
Die Zunahme der Lautsprecherimpedanz, lässt zwar die Leistung zurückgehen, aber genauso nehmen die Verzerrungen ab.
Wird nicht die volle Leistung verlangt, bleibt das Klangbild ausgewogen.
Viel schlechter sieht es bei den Mehrgitterröhren aus. Die Leistungskurve nimmt nach dem Maximum nicht ab, die Verzerrungen habe den Verlauf einer Parabel.(Eierbecherform)
Genaugenommen gibt es nur eine Einstellung wo Leistung und Verzerrungen optimal sind.
Hier sieht man, dass besonders der k2 einen steilen Verlauf hat.
In den Datenblättern wird der Wert angeben, wo die Summe aus k2 und k3 ein Minimum hat.
Hier im Beispiel:  7000 Ohm (AL4, EL3, EL11)
 
 
Bild 5
 
 
 
 
 
 
Bild nach Ratheiser Rundfunkröhren I 5.Aufl.1942 
 
 
Ohne Korrektur- Maßnahmen wie Gegenkopplung oder Beschaltung des Anodenkreis, ist da kein befriedigendes Ergebnis zu erzielen. Das Ansteigen von Ra erzeugt vermehrt einen erhöhten Klirrfaktor. Die Korrektur des Anstieges von Ra oder Z, kann mit einer Beschaltung des Übertragers mit einem Kondensator alleine oder einer Kombination von Kondensator und Serienwiderstand korrigiert werden, das sind die Mittel der Wahl.
 
 Letzteres ist in der Fachliteratur als „Boucherot“ oder „Zobel“ - Glied bekannt. Sicher ist auch das ein Kompromiss, denn der genaue Verlauf der Impedanz mit < Omega x L > ist auch damit nicht zu erreichen.
Siehe Bild.
Kurve a mit einem Boucherotglied
Kurve b nur mit Kondensator
Kurve c der Übertrager alleine an der Anode
Es sind da viele Variationen denkbar.
 
Bild 6  
Bild: Copyright © hans m. knoll 2009
 
 
 
 
 
 
 
Bild 7   
 
 
 
 
 
 
Boucherot- Glied im Grundig 2003GW von 1951
 
 

 Geschrieben von Hans M. Knoll fuer: Mike Jordan 24.02.2009

Erweitert um Triodenangaben, 26. Februar 2009
 
 

Es  wird kein Kommentar erwartet!

 
Hans M. Knoll   copyright  (C) by Hans M. Knoll Germany 04.2009
 
 

This article was edited 19.Apr.09 23:52 by Hans M. Knoll .

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Nachtrag:

Das im vorhergehenden Text besprochene gilt im Prinzip, sieht man vom Uebertrager ab, auch fuer die magnetischen Lautsprecher z.B. VE301 usw. oder DKE alle Typen.

Hierzu eine Tabelle die nur bis 1000 Hz. gemessen ist.

Mit meinen Vorgaben im vorherigen Text, kann das ja jeder nachvollziehen wie das oberhalb 1000 Hz weitergeht.

Tabelle VE_DKE

 

 

Hans M. Knoll

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This article was edited 20.Apr.09 13:50 by Hans M. Knoll .

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Für die praktische Anpassung eines Lautsprechers an die Endröhre ist die Kenntnis von deren "optimalen" Außenwiderstand erforderlich. Gemäß den Angaben in Post #1 kann man (als "Daumenformel") den Wert für den Außenwiderstand berechnen; Zitat:

"Nur unter Zuhilfenahme eines Übertragers, ist es möglich einen Lautsprecher mit 4Ω an eine Röhre anzupassen die ihre volle Leistung an angenommen 7000 Ω abgeben kann.
Dieser Wert findet sich in einschlägigen Tabellen. Hat man abweichende Bedingungen von Spannung und Strom an, in der Röhre, geht man so vor: Ua-k (Anode- Katode) dividiert durch den Ia (ohne Ig2). Bei 250 Volt und 36 mA sind das: 6,944 kΩ also rund 7000 Ω z.B. von einer AL4, EL3 oder EL11. Die EL84 mit 250V und 48 mA => 5200 Ω. Eine kleinere Type EL95, bei 250V und 24mA => 10.416 kΩ oder glatt 10000 Ω."
 
Die "Daumenformel" Ra = Ua-k / Ia stimmt für ältere Endröhren nur sehr eingeschränkt. Daher ist es vorteilhaft die günstigsten Außenwiderstände für Endröhren als Tabelle zu haben. Man findet sie z.B. in "Diefenbach, W.W.: Handbuch der Radioreparaturtechnik, 3.A., Frankh, 1958" und in den späteren Auflagen des Werks.

Zum Zweck der Reparatur von Radios ist es sicher ein gewisser Luxus, eine Lautsprecherbox mit einem umschaltbaren Ausgangsübertrager zur Verfügung zu haben. Die verschiedenen Ausgangswiderstände werden mit Hilfe eines Drehschalters ausgewählt. Auf Berührungssicherheit ist zu achten, da der Trafo keine Trennung zur Anodenspannung hat. In der Praxis bedeutet das jedoch keine Einschränkung.

Der Trafo hat einen M65 Schnitt mit Luftspalt. Die für die Erzielung der Impedanzen notwendigen Windungen sind angegeben. Mit einem 12 stufigen Schalter können nicht alle Impedanzen genau eingestellt werden. Das ist aber unkritisch, weil die für die (optimale) Dimensionierung des Ausgangwiderstandes nur relativ flache Extrema zur Verfügung stehen, wie hier noch einmal zu sehen ist. 

MfG DR

  
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