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Meßwerte Katodenbasisschaltung
 
   
 
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Inhalt:
 Allgemeines
 Reale Schaltung
 Bauteileauswahl und Dimensionierung
 Messung und Meßergebnisse
 Fazit
 Verwandte Themen:
 Meßwerte Elektrometerschaltung (OpAmp)
 Meßwerte Emitterschaltung (Transistor)
 Meßwerte Sourceschaltung (Feldeffekttransistor)


Allgemeines

In  Katodenbasisschaltung wurde erklärt, wie die Katodenbasisschaltung einer Röhre (egal ob Triode oder Pentode) aufgebaut ist, wie sie funktioniert und wie man sie berechnet. Nun fehlt noch, was sie in der Praxis zu leisten vermag. An einem exemplarischen Beispiel werden daher nachfolgend Meßergebisse aus der Praxis dargestellt. Dabei geht es ausschließlich um die Audioeigenschaften d.h. darum, wieviele Verzerrungen die Katodenbasisschaltung produziert.


Reale Schaltung

Um die Verstärkung der Katodenbasisschaltung schnell und unkompliziert einstellen zu können, wurde die Standardschaltung gegenüber  Bild 1 der Katodenbasisschaltung leicht abgeändert:

Katodenbasisschaltung mit Triode
Bild 1: Katodenbasisschaltung mit Triode

Gegenüber der Standardschaltung besitzt die Testschaltung ein Potentiometer P1 anstelle des Katodenwiderstands R3, um die Verstärkung einstellen zu können. Damit die Wechselspannungsverstärkung überhaupt einstellbar ist, mußte natürlich der Überbrückungskondensator C3 ersatzlos entfallen. Ansonsten wäre mit P1 lediglich der Arbeitspunkt, nicht aber die Wechselspannungsverstärkung einstellbar.


Bauteileauswahl und Dimensionierung

Die Schaltung wurde für Betrieb mit 90 V Betriebsspannung ausgelegt. Abgesehen davon, daß dies dem Datenblattwert entspricht, ist dies insofern hilfreich für den Vergleich mit Sperrschicht- und Feldeffekttransistorschaltungen, als daß dieser Wert ziemlich genau dem zehnfachen Wert der Betriebsspannung der Transistorschaltungen entspricht, was den Vergleich der Meßergebnisse vereinfacht. Dementsprechend muß die Röhre die zehnfache Ausgangsspannung liefern, was ebenfalls röhrentypischen Werten entspricht.

Am einfachsten zu dimensionieren ist der Widerstand R1. Damit der Signalgenerator bei allen Transistor- und Röhrenschaltungen gleich belastet wird und daher auch das gleiche Verzerrungsverhalten an den Tag legt, wird er mit 5,11 kΩ relativ niederohmig gewählt. Da Potis bei hohen Spannungen Probleme haben, wurde der Anodenwiderstand R2 als Festwiderstand ausgelegt und so dimensioniert, daß die Anodenspannug etwas höher liegt als die halbe Betriebsspannung. In diesem Fall waren es 10 kΩ. Die Kondensatoren wurden so dimensioniert, daß die untere Grenzfrequenz von ca. 30 Hz ein gutes Stück kleiner als die verwendeten Meßfrequenzen von 100 Hz und mehr. Für C1 ist daher ein Wert von 1 μF absolut ausreichend. Der Wert von C2 richtet sich nach dem Eingangswiderstand der nachfolgendne Stufe und betrug für die Messung ebenfalls 1 µF. Als Röhre Rö1 wurde eine Hälfte der Doppeltriode des Typs E88CC verwendet. Es handelt sich bei dieser  Spanngitterröhre um die militärische Variante der ECC88, die in Audioschaltungen gern als als hochwertige Treiberstufe verwendet wird. Für eigene Versuche können Sie selbstverständlich jede beliebige andere Triode verwenden.

Die Bauteile der Testschaltung im Überlick:
   Ub90 V
Rö1   1/2 E88CC (Siemens)
R15,11 kΩ
R210 kΩ
P12,2 kΩ
C11 μF
C21 μF



Messung und Meßergebnisse

Die Testschaltung wurde mit einer brummarmen, stabilisierten Spannung von 90 V versorgt. Verwendet wurde als Signalquelle das Ausgangssignal einer qualitativ hochwertigen, externen Soundkarte mit 24 Bit Auflösung und 96 kHz Abtastrate. Bevor jemand wegen der digitalen Technik die Nase rümpft, sollte er sich in Bild 2 das Ausgangsspektrum dieser Signalquelle ansehen: Ein amplitudenstabiles Sinussignal mit einer Dämpfung der ersten Oberwelle (auch k2 genannt) von -103,5 dB entsprechend 0,0007% Klirrfaktor und der zweiten Oberwelle (auch k3 genannt) von -101,5 dB entsprechend 0,0008% Klirrfaktor sind mit rein analogen Mitteln nur extrem schwer zu erreichen.


Spektrum des Eingangssignals
Bild 2: Spektrum des Eingangssignals

Für die Messung wurde zuerst der zur Röhre passende Anodenwiderstand ermittelt, indem zuerst mit P1 die Verstärkung so eingestellt wurde, daß die Ausgangsspannung exakt das Zehnfache der Eingangsspannug betrug. Dann wurde die Anodenspannung ohne Ansteuerung gemessen und der Anodenwiderstand R2 mit dem Ziel vergrößert bzw. verkleinert, daß der Arbeitspunkt ungefähr in der Mitte des nutzbaren Bereichs (also etwas oberhalb der halben Betriebsspannung) lag. Der Vorgang des Einstellens der Verstärkung und Änderung des Wertes von R2 wurde so lange durchgeführt, bis der Arbeitspunkt bei v=10 im gewünschten Bereich lag.

Sodann wurde die Eingangsspannung mit einem passiven Spannungsteiler so eingestellt, daß der Ausgangsspannungshub (also Spitze zu Spitze) exakt 28,1 V betrug. Bei einem sinusförmigen Eingangssignal von 100 Hz mit einer Amplitude von 2810 mVss, was einen Ausgangsspannungshub von 28,1 Vss nach sich zog, ergab sich das in Bild 3 gezeigte Spektrum.

Spektrum bei Ausgangssignal 28,1 Vss
Bild 3: Spektrum bei Ausgangssignal 28,1 Vss

Wie man sieht, sind neben dem verstärkten Eingangssignal im Ausgangssignal leider zusätzliche Frequenzen vorhanden, die durch Verzerrung der Signalform entstanden sind. Die Amplitude der ersten Oberwelle (auch als k2 bezeichnet) ist gegenüber dem Nutzsignal um 32,5 dB gedämpft, was stattlichen 2,37% entspricht. Die Amplitude der zweiten Oberwelle (auch als k3 bezeichnet) liegt bereits 59 dB darunter, d.h. bei 0,11%. Die Amplitude aller weiteren Oberwellen sind im Vergleich so gering, daß sie nicht der Rede wert sind. Die beiden Peaks bei 15,625 und 31,25 kHz sind übrigens Störeinstreuungen, die durch die Zeilenablenkfrequenz von Fernsehgeräten (samt massiver Oberwelle) in der weiteren Nachbarschaft verursacht wurden.

Spektrum bei Ausgangssignal 5 Vss
Bild 4: Spektrum bei Ausgangssignal 5 Vss

Verringert man die Eingangsspannung und damit auch die Ausgangsspannung, reduzieren sich die Verzerrungen drastisch. Bei einem Ausgangsspannungshub von 5 Vss (also 15 dB weniger als 28,1 Vss) reduziert sich k2 auf 48,5 dB unter dem Nutzsignal entsprechend 0,38% und k3 auf 91 dB entsprechend 0,0028%.

Wie hoch das Ausgangssignal auch immer ist, produziert die Katodenbasisschaltung in erster Linie Verzerrungen mit doppelter Grundfrequenz (k2), und nur einen geringen Anteil mit dreifacher Grundfrequenz (k3), solange der maximale Aussteuerbereich nicht überschritten wird.

Klanglich deutlich schlimmer als harmonische Verzerrungen sind jedoch Intermodulationsverzerrungen. Es handelt sich dabei um Summen- und Differenzfrequenzen, die beim Einspeisen eines Signals mit mehr als nur einer Frequenz entstehen. Für den Test wurde dem 100-Hz-Eingangssignal ein weiteres Signal mit 120 Hz hinzugefügt, das 1/4 der Amplitude besaß (also -12 dB).

Intermodulationsverzerrungen bei 28,1 Vss
Bild 5: Intermodulationsverzerrungen bei 28,1 Vss

Aufgrund der nicht absolut geraden Kennlinie treten im Ausgangssignal neben dem um Faktor 10 verstärkten Eingangssignal nicht nur die jeweiligen Oberwellen der beiden Eingangsfrequenzen auf (also 200 / 240 Hz, 300 / 360 Hz, 400 / 480 Hz usw.), sondern auch deren Summen- und Differenzfrequenzen. Als Differenzfrequenz tritt in erster Linie 120 Hz - 100 Hz = 20 Hz mit gegenüber dem 100-Hz-Signal um 39,5 dB abgeschwächt ist. Das so enstandene 20-Hz-Signal wiederum besitzt Oberwellen und interagiert zusätzlich mit allen anderen vorhandenen Frequenzen. Letztendlich werden also eine ganze Menge von Frequenzen zusätzlich erzeugt, die selbstverständlich nicht erwünscht sind und zu mehr oder weniger großen Klangbeeinträchtigungen führen.

Deutlich übersichtlicher sieht das Bild erfreulicherweise bei einem Ausgangsspannungshub von 5 Vss (siehe Bild 6) aus. Die Intermodulationsverzerrungen sprich die zusätzlich erzeugten Frequenzen sind ganz erheblich geringer als bei 28,1 Vss aber immer noch nennenswert.

Intermodulationsverzerrungen bei 5 Vss
Bild 6: Intermodulationsverzerrungen bei 5 Vss

Im Vergleich zu Bild 4 sind zusätzlich zu den Spektrallinien der zusätzlichen Eingangsfrequenz 120 Hz und seiner Oberwellen einige zusätzliche Frequenzen hinzugekommen. Im wesentlichen sind es die Differenzfrequenz der beiden Eingangssignale, die bei 20 Hz mit einer Dämpfung von 54,5 dB gegenüber dem 100-Hz-Signal ins Auge sticht, sowie Peaks bei 80 und 240 Hz.


Fazit

Die Katodenbasisschaltung mit einer Triode als aktivem Element arbeitet bei geringem Ausgangshub nur einigermaßen linear und besitzt einen relativ hohen Klirrfaktor, der hauptsächlich durch die erste Oberwelle (d.h. k2) repräsentiert wird, die weithin als ohrenfreundlich gilt. Die Intermodulationsverzerrungen sind dabei recht hoch. Nimmt der Ausgangsspannungshub zu, steigen sowohl die Verzerrungen als auch die Intermodulationsverzerrungen überproportional und nehmen aus Sicht einer linearen Verstärkung schnell inakzeptable Werte an. Bemerkenswert ist, daß dieses ziemlich bescheidene Ergebnis trotz einer röhrenuntypisch starken Gegenkopplung und damit geringen Verstärkung erzielt wurde. Bei üblichen Röhrenschaltungen ist der Katodenwiderstand fast immer mit einem Kondensator wechselspannungsmäßig überbrückt, damit eine höhere Verstärkung erzielt werden kann. Dadurch sinkt die Wechselspannungsgegenkopplung aber auf Null ab, was den Klirrfaktor noch weiter in die Höhe treibt.

Wünscht man bessere Werte d.h. eine linearere Verstärkung, kann man die Gegenkopplung erhöhen sprich die Verstärkung verringern oder aber Pentoden verwenden, die eine stärkere Gegenkopplung zulassen, ohne daß der Verstärkungsfaktor auf indiskutable Werte absinkt. Alternativ kann man eine Kaskodeschaltung mit 2 Trioden oder einen Differenzverstärker mit 2 bzw. 3 Trioden verwenden oder aber auf Schaltungen mit  Feldeffekttransistoren respektive besser (falls kein sehr hoher Eingangswiderstand benötigt wird)  Bipolartransistoren ausweichen. Ganz erheblich besser als alle diese Bauelemente arbeiten hingegen  Operationsverstärker. Selbst extrem preiswerte Typen verhalten sich innerhalb ihres zulässigen Aussteuerbereichs extrem linear und übertreffen Schaltungen mit einem einzigen aktiven Element bei weitem. Zudem kostet ein Feld-Wald-und-Wiesen-OpAmp nur einen ganz kleinen Bruchteil einer gängigen Standardröhre. Wo immer es möglich ist und eine lineare Verstärkung gewünscht wird, sollte man daher Operationsverstärkern den Vorzug geben.

Eine gute Wahl ist die Katodenbasisschaltung insbesondere unter Verwendung von Trioden hingegen immer dann, wenn hohe Klirrverzerrungen im Linearbereich (vorzugsweise k2) sowie die damit zwangsläufig einhergehenden Intermodulationsverzerrungen und zusätzlich ein weiches Übersteuerungsverhalten (wobei vorzugsweise k3 erzeugt wird) gewünscht werden. Um den Klirrfaktor zu erhöhen, ist es zielführend, wenn man auf eine Wechselspannungsgegenkopplung gänzlich verzichtet und den Katodenwiderstand P1 mit einem Elko wechselspannungsmäßig überbrückt. In Instrumentalverstärkern speziell für Elektrogitarren und Mundharmonikas ("Harp") ist dies nach wie vor Stand der Technik. Ein besonders weiches Übersteuerungsverhalten bekommt man übrigens, wenn man die Schaltung mit reduzierter Betriebsspannung betreibt.
  

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