Das Grundprinzip eines Röhrenverstärkers lässt sich leicht mit einem NF-Vorverstärker zeigen. Für die folgenden Versuche ist ein Tongenerator und ein Oszilloskop nützlich. Man kann einen Vorverstärker jedoch auch zwischen eine Tonquelle wie z.B. einen Tonabnehmer eines Plattenspielers und einen Endverstärker schalten und die größere Lautstärke beobachten.
Im ersten Versuch wird nur eine Röhre EF95 verwendet. Die zweite Röhre wird aber schon mit beheizt, damit eine Spannung von 12 V verwendet werden kann. Die zweite Röhre bildet sozusagen nur den Vorwiderstand für die Heizung der Verstärkerröhre.
Ein NF-Verstärker mit einer Röhre ist mit einer Transistorstufe in Emitterschaltung vergleichbar. Die Kathode entspricht dem Emitter, das Steuergitter der Basis und die Anode dem Kollektor. Allerdings braucht das Gitter anders als die Basis eines Transistors eine negative Vorspannung. Der Gitterwiderstand liegt deshalb an Masse. Der Gitter-Anlaufstrom führt zu einem Spannungsabfall am Gitterwiderstand und damit zu einer negativen Gittervorspannung. Die Pentode hat aber noch zwei Gitter mehr als die Triode. Das Schirmgitter (g2) muss an die Betriebsspannung gelegt werden. Das Bremsgitter (g3) ist bereits intern mit der Kathode verbunden.
Aufbau der Verstärkerstufe
Das Foto zeigt den Aufbau der Schaltung auf der Steckplatine. Hier wird die linke Röhre in der Fassung A verwendet. Eingang und Ausgang kann man nach Belieben an die Anschlüsse E1 bis E7 oder auch an die Klinkenbuchsen legen. Die Anschlüsse nach außen sind hier im Interesse der besseren Übersicht nicht gezeigt.
Nach kurzer Anheizzeit kann man mit einem Voltmeter die Spannungen an der Röhre messen. Am Gitter findet man -0,4 V, es fließt also ein Gitterstrom von 4 µA. Am Anodenwiderstand von 27 kOhm liegt eine Spannung von 12 V - 11.1 V = 0,9 V. Daraus ergibt sich ein Anodenstrom von 33 µA.
Nun soll eine Signalspannung z.B. aus einem Sinusgenerator an den Eingang gelegt werden. Die Gitterspannung moduliert den Anodenstrom. Als Spannungsabfall am Anodenwiderstand findet man dann die verstärkte Ausgangsspannung.
Eingangsspannung (unten) und Ausgangsspannung (oben)
Das Oszillogramm zeigt, dass die Verstärkerstufe die Phase umkehrt. Eine höhere Gitterspannung bedeutet mehr Anodenstrom, einen größeren Spannungsabfall am Anodenwiderstand und damit eine kleinere Anodenspannung. Die Größe der Eingangs- und Ausgangsspannung zeigt eine Spannungsverstärkung von ca. V = 5. Daraus ergibt sich eine Steilheit der Röhre von ca. S = 0,185 mA/V, denn die Spannungsverstärkung ist das Produkt aus Steilheit und Anodenwiderstand. (V = S * Ra). Die Steilheit ist in weiten Grenzen vom Arbeitspunkt der Röhre abhängig. Wenn man mehr Anodenstrom und mehr Steilheit benötigt, muss man die Gitterspannung positiver machen.
Signalform bei Übersteuerung
Übersteuert man die Verstärkerstufe, dann entstehen deutliche Verzerrungen. Die Besonderheit der Röhrenverzerrungen bestehen im Gegensatz zu den Verzerrungen der meisten Halbleiterverstärker darin, dass die Begrenzung relativ weich einsetzt.
Zusatzversuche:
Verringern Sie den Anodenwiderstand auf 10 kOhmund führen sie alle Messungen erneut durch. Verwenden Sie dann einen kleineren Gitterwiderstand von 27 kOhm oder 10 kOhm und verschieben Sie den Arbeitspunkt damit hin zu mehr Anodenstrom. Suchen Sie die optimale Dimensionierung mit der größten Spannungsverstärkung.
Zweistufiger NF-Verstärker
Zur Erhöhung der Verstärkung kann man zwei Stufen hinter einander schalten. Die zweite NF-Stufe ist aufgebaut wie die erste. Zwischen den beiden Stufen liegt ein Koppelkondensator.
Der zweistufige Verstärker
Der Aufbau verwendet diesmal auch die Röhre D. Das Aufbaufoto zeigt deutlich die Signalverbindung vom Ausgang der linken Röhre zum Eingang der rechten Röhre.
Verdrahtung mit zwei Stufen
Man kann nun eine Verstärkung von ca. V = 25 erwarten. Das Zweikanal-Oszillogramm zeigt tatsächlich eine Verstärkung von etwa 25. Außerdem erkennt man, dass die Phasenumkehr durch die zweite Stufe wieder aufgehoben wurde. Eingangs- und Ausgangsspannung sind also nun in Phase.
Eingangssignal und Ausgangssignal
Zusatzversuch:
Erhöhen Sie die Gesamtverstärkung durch Verwendung einer höheren Anodenspannung von z.B. 24 V oder 40 V. Verwenden Sie den zweistufigen Verstärker als empfindlichen Mikrofonverstärker.
Ein Tongenerator
Weil bei einem zweistufigen Verstärker der Phasenunterschied zwischen Eingang und Ausgang eines Verstärkers Null ist, lassen sich leicht Schwingungen erzeugen. Alles was man dazu braucht ist eine Rückkopplung vom Ausgang auf den Eingang.
Der Tongenerator
Die Schaltung hat einen Ausgang mit Koppelkondensator und zusätzlichem Widerstand von 1 k, damit ein niederohmiger Kopfhörer die Verstärkung nicht so weit reduzieren kann, dass die Schwingungen abreißen. Hier wird der Kopfhöreranschluss R2 verwendet. Ein Kopfhörer kann an die Stereobuchse 2 angeschlossen werden. Der Ton sollte dann links erscheinen.
Tongenerator mit Kopfhörerausgang
Mit dem Oszilloskop findet man ein NF-Signal mit 800 Hz. Die Schaltung eignet sich z.B. als Morse-Übungsgenerator, wobei eine Morsetaste in die Zuleitung zum Kopfhörer gelegt wird.
Ausgangssignal des Tongenerators
Zusatzversuch:
Ändern Sie Widerstände und Kondensatoren um die Tonhöhe zu verändern. Schalten Sie ein Potentiometer zur stufenlosen Frequenzeinstellung in Reihe zum Anodenwiderstand der linken Röhre oder in Reihe zu einem der Koppelkondensatoren.
