Phasenumkehrstufen

Zur Ansteuerung von Gegentakt-Endstufen wird eine Phasenumkehrstufe benötigt. Im Radio Handbuch "Boyce, W.F.; Roche, J.J.: Radio Data Book, Boland & Boyce, 1948, pp. 144 -146" werden 4 Grundtypen von Umkehrstufen angegeben:

1. 180⁰ Phasendrehung zwischen Gitter- und Anodenspannung einer Röhre, Fig. 149.
2. 180⁰ Phasendrehung zwischen Gitter- und Schirmgitterspannung einer Röhre, Fig 150
3. 180⁰ Phasendrehunh zwischen Gitter- und Kathodenspannung in einer Röhre, Fig. 151
4. 180⁰ Phasendrehung zwischen den Spannungen eines Spar-trafos mit geerdeter Mittelanzapfung, Fig. 152

Bis auf das letzte Beispiel sind alle sonstigen Schaltungen RC gekoppelt.

Phasenumkehrstufen kamen erst zusammen mit hoch verstärkenden Röhren auf. Davor war die Spannungsverstärkung notwendig, die ein Trafo mit sekundärer Gegentaktwicklung ermöglichte. Moderne [1948] hoch verstärkende Röhren sind auf diese Spannungstransformation nicht angewiesen und ermöglichen es daher den guten Frequenzgang RC gekoppelter Stufen auch hier zu realisieren.

Ein weiterer Vorzug ist, daß die Phasenumkehrstufe gleich in eine Gegenkopplung eingebunden werden kann. Im Diagramm Fig. 149 ist diese gestrichelt angedeutet, während die Schaltungen Fig. 150 und Fig. 151 eine Gegenkopplung direkt enthalten.

Anwendungen: Phasenumkehrstufen werden in Audio- und Videoverstärkern eingesetzt, wenn eine Gegentakt-Ausgangsstufe vorgesehen ist. Man findet sie in den meisten HiFi Verstärkern, in großen Leistungsverstärkern und in zahlreichen Radios.

Vorteile:

• RC-Kopplung zwischen Vorstufen und Gegentakt Endstufe
• wenige kleine Komponenten (R,C) statt eines schweren Trafos
• geringere Kosten
• Gegenkopplung kann Teil der Schaltung sein

Grenzen: Phaseninverter müssen ein symmetrisches Ausgangssignal erzeugen, damit die nichtlinearen Verzerrungen minimal werden. Die Schaltungen sind in dieser Beziehung oft kritisch und müssen deshalb sorgfältig dimensioniert werden.

Varianten: Die 4 vorgestellten sowie verschiedene andere arbeiten nach den gleichen Prinzipien.

Verwendete Röhren: Beliebige NF Verstärkerröhren mit Ausnahme von Fig. 150, wo Schirmgitterröhren notwendig sind.

In der Schaltung Fig.149 erhält G₁ der Röhre V1 das Eingangssignal. Dort wird es wie üblich verstärkt und erscheint an G₁ von V3. Der Gitter-Widerstand von V3 ist geteilt. Der Anteil des Signal, der an R abfällt, gelangt an G₁ von V2, wird dort verstärkt und gelangt an G₁ von V4. Da aber die Gitterspannung von V4 über eine Röhre mehr gelaufen ist als die Gitterspannung von V3, sind diese beiden Spannungen wie gewünscht gegeneinander um 180⁰ gedreht.

Die Schaltung Fig. 150 nutzt aus, daß die Signalspannung, die an einem nicht abgeblockten Schirmgitter entsteht, um 180⁰ gegenüber der Gitterspannung dieser Röhre gedreht ist. Die Eingangsspannung erhält G₁ von V1 und das gegenphasige Signal an G₂ von V1 geht auf G₁ von V2.

Phase Inverter 3

Die Schaltung Fig. 151 arbeitet nach dem Prinzip, daß die Spannung an einem nicht (mit einem C) überbrückten Kathodenwiderstand in Phase ist mit der Gitterspannung. Das masseseitge Ende von R hat demzufolge bezüglich der Kathode eine 180⁰ Phase bezogen auf die Gitterspannung von V1.

Diese gegenphasige Spannug liegt effektiv an G₁ von V2, da dieses geerdet ist. Damit sind die beiden Gitterspannungen wie gefordert gegeneinander um 180⁰ gedreht.

Die Schaltung Fig. 152 verwendet einen Spartrafo L zur erzeugung von zwei um 180⁰ gedrehten Spannungen. Das Eingangssignal wird in V1 in üblicher Weise verstärkt, wobei der Teil AB von L als Last Impedanz wirkt. Dieses Signal erhält V2. Im Teil CB von L entsteht die um 180⁰ gedrehte Spannung, die auf G₁ von V3 gegeben wird.

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Von besonderem Interesse ist die Variante 3 der Phasenumkehrstufen. Diese findet sich (teils in etwas modifizierter Form) in manchen Radios, wo sie immer wieder Anlaß zum Nachdenken gibt.

MfG DR

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Die Phasenumkehrstufe Nr. 3 (Fig. 151) ist eng verwandt mit einem Differenzverstärker, wie man sofort durch Umzeichnen erkennt.

Links ist zunächst noch einmal die Schaltung wie in Fig. 151. (Bezeichnungen geändert)

In der Mitte ist die gleiche Schaltung nur etwas umgezeichnet. Man erkennt die Struktur eines Differenzverstärkers.

So ein "ganz richtiger" Differenzverstärker ist das aber noch nicht, denn dann müßte der Widerstand R_k sehr groß sein und an eine negative Versorgungsspannung -U_B angeschlossen werden. Ein "echter" Differenzverstärker hat an dieser Stelle eine Konstant-Stromquelle, die den (konstanten) Strom I₀  liefert (rechts). Dieser teilt sich im Ruhezustand gleichmäßig auf beide Röhren auf. Wird nun die linke Röhre R1 angesteuert (u₁+Δu), ändert sich deren Katodenstrom (I₀/2+Δi) und im gleichen Maße in R2 in die andere Richtung (I₀/2-Δi), so daß der Wert I₀ konstant bleibt.

Die Änderung der Eingangsspannung Δu teilt sich auf beide Röhren gleichmäßig auf, wobei bei R1 die Gitterspannung um Δu/2 erhöht wird, während sie für R2 um Δu/2 erniedrigt wird: das ist die Gegentakt-Ansteuerung. Man erkennt hier auch den "Preis", den man für die Einsparung einer besonderen Phasenumkehrstufe zu zahlen hat: Die Endstufe ist insgasamt mit einer doppelt so hohen Spannung anzusteuern - oder: die Verstärkung ist nur halb so groß wie bei einer Einzelstufe.

Eine Stromquelle, die an -U_B liegt, oder ersatzweise ein entsprechend hoher Widerstand verbieten sich bei Leistungsendstufen aus Gründen des Wirkungsgrades bzw. wegen der dort umgesetzten Verlustleistung. Man wird also nur den "normalen" Wert für den Katodenwiderstand R_k vorsehen.

Dann stimmt aber die Symmetrie nicht mehr, die der "ideale" Differenzverstärker hat. Abhilfe schafft dann, eine Hilfsspannung u_sek aus einer (zusätzlichen) Sekundärwicklung hinzuzufügen, wie das Schaltblid rechts zeigt. Die hier nun auftretenden Stromänderungen bei Aussteuerung hängen von der Kennlinie der Röhre ab. Ein konstanter Strom durch R_k ist nun nicht mehr gegeben, aber mit Hilfe der gegebenen Beziehung läßt sich (zumindst näherungsweise) erreichen, daß sich die Ansteuerspannung gleichmäßig auf beide Röhren aufteilt.

Gegentaktendstufen dieser Art gab es bei mehreren Radios (Spitzenmodelle 1953/54).

MfG DR

edit: Hans Knoll hat einen lesenwerten Beitrag zu Gegentakt-Endstufen verfaßt.

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Weitere Informationen zu Geräten mit dieser Art einer Gegentakt-Endstufe finden sich an verschiedenen Stellen im RM.org.

Beispiel Philips Uranus 53 / 54

Beispiel: Lorenz Goldsuper W45

Bei dieser Schaltung hat man den Eindruck, daß die Sekundärwicklung "aufgestockt" wurde, um die richtige Spannung u_sek  zu erhalten. Eine Messung hat jedoch ergeben, daß diese Wicklung gegenphasig (nachträglich??) aufgebracht wurde, so daß die Spannung  u_sek  tatsächlich kleiner ist als die für den Lautsprecher, siehe das oben zitierte Papier von Hans Knoll.      

Beispiel: Koerting 830W

MfG DR

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