von B. Kainka, Röhrenradios selbst bauen
Legen Sie eine positive Spannung an die Anode. Untersuchen Sie den Anodenstrom in Abhängigkeit von der Gitterspannung. In der Anodenleitung liegt ein Arbeitswiderstand von 1 kOhm. Über die Spannung am Anodenwiderstand kann die Stromstärke bestimmt werden. Man könnte auch direkt den Strom messen. Falls jedoch nur ein Messgerät vorhanden ist, kann man abwechselnd die Spannung am Gitter und die Spannung am Anodenwiderstand messen und kommt so ohne Umschaltung des Messbereichs aus.
Hier wird zunächst nur eines der beiden Triodensysteme der Röhre untersucht. Bei einem Gitterwiderstand von 10 kOhm findet man eine Gittervorspannung von -0,14 V. Am Anodenwiderstand von 1 kOhm liegt eine Spannung von 0,49 V. Damit fließt eine Anodenstrom von 0,49 mA.
Setzen Sie nun verschieden Gitterwiderstände ein und messen Sie jeweils die Gittervorspannung und den Anodenstrom. Die folgenden Messwerte wurden an einer zufällig ausgewählten Röhre ermittelt. Die Messwerte sind gewissen Streuungen unterworfen, sodass Sie etwas andere Ergebnisse finden können.
| Gitterwiderstand | Gitterspannung | Anodenstrom |
| 0 | 0 | 0,83 mA |
| 1 kOhm | -0,04 V | 0,73 mA |
| 10 kOhm | -0,14 V | 0,49 mA |
| 100 kOhm | -0,29 V | 0,24 mA |
| 1 MOhm | -0,45 V | 0,10 mA |
Man erkennt, dass der Anodenstrom mit zunehmender negativer Gitterspannung abnimmt. Tragen Sie Ihre Messdaten in ein Diagramm wie in Abb. 3.17 ein. Die Auswertung zeigt, dass die Anodenstromkurve in Richtung positiverer Gitterspannung immer steiler wird. Aus den Messdaten kann die Steilheit S = dIa/dUg bestimmt werden. In der Nähe der Gitterspannung Null beträgt die Steilheit S = 0,1 mA / 0,04 V = 2,5 mA/V. Im unteren Abschnitt der gemessen Kennlinie beträgt die Steilheit etwa S = 0,14 mA / 0,16 V = 0,9 mA/V.
Die gemessene Kennlinie der Röhre
Ein Blick ins Datenblatt der E90CC zeigt eine Steilheit von 6 mA/V bei einer Anodenspannung von 100 V und einer Gitterspannung von -2,1 V. Hier wird die Röhre jedoch mit der ungewöhnlich kleinen Betriebsspannung von nur 6 V betrieben. Allgemein muss man bei sehr kleiner Anodenspannung mit geringerer Gittervorspannung arbeiten, um noch einen ausreichend großen Anodenstrom und genügend Steilheit zu erreichen. Die Kennlinie ist zwar zu kleineren Strömen hin verschoben, hat jedoch grundsätzlich einen ähnlichen Verlauf wie bei einer höheren Anodenspannung. Nicht jede Röhre kann erfolgreich mit einer beliebig kleinen Anodenspannung betrieben werden. Die gemessene Kennlinie zeigt jedoch, dass die E90CC durchaus für kleine Anodenspannungen geeignet ist.
Die meisten Schaltungen funktionieren mit kleiner Anodenspannung ähnlich gut wie mit großer Spannung. Allerdings führt z.B. die kleinere Steilheit zu einer geringeren Spannungsverstärkung. Außerdem fließt wegen der notwendigerweise geringeren Gittervorspannung immer noch ein gewisser Gitterstrom. Bei großen Anodenspannungen kann man dagegen meist unter -1 V am Gitter bleiben, sodass kein Gitterstrom mehr fließt. Die etwas schlechteren Daten der Röhre bei kleinen Betriebsspannungen verhindern nicht den erfolgreichen Aufbau typischer Röhrenschaltungen. Mit einer geeigneten Dimensionierung der Schaltung kann die Röhre praktisch alle wichtigen Aufgaben übernehmen. Insbesondere der Aufbau einfacher Radios gelingt sehr gut mit einer Spannung von nur 6 V. Vorteile der geringen Spannung sind:
- Nur eine Spannungsquelle für Heizung und Anodenspannung
- Gefahrloses und entspanntes Experimentieren
- Geringe Wärmeentwicklung in der Röhre
Gesteuerter Anodenstrom
Das Prinzip des gesteuerten Anodenstroms einer Triode lässt sich anschaulich mit einer Leuchtdiode untersuchen. Je nach Gitterspannung leuchtet die LED heller oder weniger hell. Der Vorwiderstand in der Gitterleitung dient nur zum Schutz gegen eine mögliche Überlastung, wenn der Eingang direkt mit der Betriebsspannung verbunden wird.
Anzeige des Anodenstroms mit einer LED
Lassen Sie den Einganz zunächst offen. Die LED leuchtet nicht, weil sich am Steuergitter eine negative Spannung von ca. - 1 V einstellt und die Röhre sperrt.
Steuern des Anodenstroms
Verbinden Sie den Eingang mit der negativen Versorgungsleitung (Masse), also mit der Kathode. Nun ist die Gitterspannung Null, sodass ein relativ großer Anodenstrom fließt, der die LED deutlich leuchten lässt.
Verbinden Sie den Eingang nicht direkt mit Masse, sondern berühren Sie den Eingang und Masse gleichzeitig. Der Hautwiderstand leitet Gitterstrom ab, sodass sich eine mittlere Gitterspannung einstellt. Die LED leuchtet mehr oder weniger hell. Die Röhre arbeitet praktisch als empfindlicher Sensorverstärker. Es reicht ein Sensorstrom von weniger als einem Mikroampere, um die LED sichtbar leuchten zu lassen.
Verbinden Sie den Eingang über Ihre Hand mit der Versorgungsspannung +6 V. Der Effekt wird entsprechend deutlicher, weil nun ein größerer Strom in den Eingang fließt und sogar zu einer positiven Gittervorspannung führen kann.
NF-Verstärker
Die Grundschaltung eines Röhrenverstärkers unterscheidet sich kaum von der bereits eingesetzten Messschaltung. Am Eingang führt man über einen Kondensator das Eingangssignal zu. Die dadurch modulierte Gitterspannung bewirkt eine Veränderung des Anodenstroms und damit des Spannungsabfalls am Anodenwiderstand. Die Ausgangsspannung kann über einen zweiten Kondensator ausgekoppelt werden. Die hier verwendeten Elkos von 100 µF haben wesentlich mehr Kapazität als man üblicherweise an dieser Stelle einsetzt. Sie passen jedoch gut zu den niedrigen Widerständen der Schaltung.
Grundschaltung eines NF-Verstärkers
Aufbau des NF-Verstärkers
Falls Sie einen Tongenerator und ein Oszilloskop zur Verfügung haben, können Sie nun die Spannungsverstärkung der Schaltung messen. Bei einer Eingangsspannung von 0,5 Vss entsteht ein Ausgangssignal von ca. 1,0 Vss. Die Spannungsverstärkung der Schaltung ist also 2-fach. Außerdem erkennt man die Phasendrehung zwischen Eingangs- und Ausgangssignal. Immer wenn die Eingangsspannung ansteigt, fällt die Ausgangsspannung.
Eingangsspannung (unten) und Ausgangsspannung (oben)
Das Oszillogramm zeigt die Röhre bei voller Aussteuerung. Dabei erkennt man bereits die typischen Verzerrungen einer Röhre als Folge der gekrümmten Kennlinie. Die verstärkte Sinusspannung ist nicht mehr vollkommen symmetrisch, was zur Bildung von Obertönen führt. Dies ist einer der Gründe, warum Röhrenverstärkern ein besonderer Klang nachgesagt wird.
Spannungsverstärkung
Ein Röhrengerät besteht oft aus mehreren Stufen, wobei in der Endstufe eine große Ausgangsleistung gefordert ist, in den Vorstufen dagegen eine hohe Spannungsverstärkung. Allgemein hängt die Spannungsverstärkung V von der Steilheit S und dem Anodenwiderstand Ra ab:
V = S * Ra
Aus der Spannungsverstärkung V und dem Anodenwiderstand Ra lässt sich also auch die Steilheit der Röhre bestimmen. Mit Ra = 1 kOhm und V = 2 ergibt sich S = 2 mA/V, was im Rahmen der Messgenauigkeit mit der gemessenen Kennlinie übereinstimmt.
Aus V = S * Ra folgt, dass für eine höhere Spannungsverstärkung ein größerer Anodenwiderstand erforderlich ist. Allerdings sind dem bei Verwendung einer kleinen Betriebsspannung enge Grenzen gesetzt, weil der höhere Spannungsabfall am Widerstand die Anodenspannung herabsetzt. Man muss also einen Arbeitspunkt mit geringerem Anodenstrom und kleinerer Steilheit wählen.
Optimierung für mehr Spannungsverstärkung
Die Schaltung erreicht eine Spannungsverstärkung von ca. V = 4. Der Gitterstrom erzeugt an dem größeren Gitterwiderstand von 100 kOhm eine Vorspannung von -0,3 V. Am Anodenwiderstand liegt ein Spannungsabfall von 6 V - 4,3 V = 1,7 V. Der Anodenstrom beträgt also nur noch 0,17 mA. Die Steilheit beträgt S = V / Ra = 4 / 10 kOhm = 0,4 mA/V.
