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Inhalt:
 Allgemeines
 Wirkungsweise (Grobübersicht)
 Dimensionierung eines Katodenfolgers
 Katodenfolger mit Tetroden und Pentoden
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 Diode (Halbleiterdioden)
 Transistor


Allgemeines

Der Katodenfolger (Anoden-Basis-Schaltung) besitzt einen für Röhrenverhältnisse niedrigen Ausgangswiderstand aber keine Spannungsverstärkung. Man verwendet ihn vorzugsweise als Impedanzwandler, wenn der hohe Ausgangswiderstand der  Katoden-Basis-Schaltung stört. Die Schaltung ist in Bild 1 schematisch anhand einer Triode dargestellt, wird aber auch bei Tetroden und Pentoden in großem Stil verwendet.

Katodenfolger mit Triode
Bild 1: Schaltung eines Katodenfolgers mit Triode

Diese Schaltung sieht ziemlich einfach aus. Trotzdem kann man die Werte der Widerstände und Kondensatoren nicht beliebig wählen, um eine funktionierende Schaltung zu erhalten. Nachfolgend können Sie erfahren, wie die Schaltung funktioniert. Danach wird die Dimensionierung der Schaltung erklärt - also salopp gesagt, wie man die Werte der Widerstände und Kondensatoren ermittelt.

Der Eingangswiderstand ist sehr hoch, der Ausgangswiderstand hingegen relativ niedrig. Er ist aber bei weitem nicht so niedrig, daß man damit z.B. einen handelsüblichen Lautsprecher mit 4 oder 8 Ω Impedanz betreiben könnte. Verwendet wird der Katodenfolger daher beispielsweise als Ausgangsstufe für Vorverstärker aber auch als Treiberstufe in Endverstärkern mit leistungsfähigen Endröhren, die eine besonders niederohmige Ansteuerung benötigen.


Wirkungsweise

Der Eingangskondensator C1 dient dazu, das Gitter vom Eingangssignal gleichstrommäßig abzukoppeln. Kondensatoren lassen ja bekanntlich keinen Gleichstrom sondern nur Wechselstrom sprich in diesem Fall das Audiosignal passieren. Die Widerstände R1 und R2 sorgen dafür, daß das Gitter bei fehlendem Eingangssignal auf einem definierten Wert, d.h. auf der Hälfte der Betriebsspannung liegt. Die Anode der Röhre ist im Gegensatz zur  Katoden-Basis-Schaltung nicht über einen Widerstand sondern direkt mit der Betriebsspannung verbunden. Der Strom fließt in die Röhre hinein und kommt an der Kathode wieder vollständig heraus, solange der Gitterstrom näherungsweise Null ist (was der Normalfall ist). Nun fließt er über Widerstand R3 nach Masse und damit zurück zur Spannungsquelle.

Dadurch, daß Strom durch R3 fließt, fällt an ihm gemäß dem ohmschen Gesetz eine Spannung ab, die man nach der bekannten Formel U = R . I berechnen kann. Die Differenz zwischen Spannung am Gitter und an der Katode bestimmt nun, was passiert: Ist sie positiv, wird die Röhre stark aufgesteuert und der Strom durch R3 nimmt zu. Damit wird aber auch die Spannung an R3 größer und in Folge die Spannungsdifferenz zwischen Gitter und Katode kleiner. Ist die Differenz negativ, wird die Röhre abgesteuert, wodurch letztendlich die Spannungsdiffernez zwischen Gitter und Katode ebenfalls kleiner wird. Ohne Eingangssignal ergibt sich deshalb ein stabiler Zustand, in dem sich die Ausgangsspannung von der Gitterspannung nur durch die Gitter-Katoden-Spannung (=Spannungsoffset) unterscheidet.

Ein positives Eingangssignal erhöht die Spannung am Gitter, ein negatives Eingangssignal vermindert diese. Diese Spannungsänderungen haben sofortige Anodenstrom- und damit Katodenstromänderungen zur Folge, so daß sich auch sofort die Spannung an R3 der neuen Situation anpaßt. Die Röhre ist, wie man im Fachjargon sagt, voll gegengekoppelt und stellt die Eingangsspannung mit relativ niedriger Ausgangsimpedanz und hoher Linearität zur Verfügung. Die Schaltung besitzt zwar keine Spannungsverstärkung aber eine Stromverstärkung, denn der Eingangsstrom ist gering und wird weitgehend nur durch R1 und R2 bestimmt, wohingegen der Ausgangsstrom je nach Dimensionierung der Schaltung sehr viel höher sein kann. Die am Gitter anliegende Spannung darf dabei zwischen 0 V und nahezu Betriebsspannung betragen. Der Kondensator C2 verhindert, daß der durch R1 und R2 eingestellte Gleichspannungsanteil, der ungefähr der Hälfte der bis zu mehrere hundert Volt betragenden Betriebsspannung entspricht, an den Ausgang gelangt und nachfolgende Geräte zerstört.

Die Linearität der Schaltung ist dank der Gegenkopplung recht ordentlich, hat allerdings röhrenbedingte Grenzen, denn leider ist der Spannungsoffset zwischen Ein- und Ausgang nicht konstant: Bei voll durchgesteuerter Röhre (d.h. maximaler Ausgangsspannung infolge maximalen Stroms) ist die Differenz zwischen Gitterspannung und Katodenspannung Null. Bei nahezu gesperrter Röhre (d.h. sehr kleine Ausgangsspannung infolge sehr kleinen Stroms) ist die Gitter-Katoden-Spannung negativ und beträgt einige und bei typischen Leistungsröhren sogar etliche Volt. Den jeweiligen Wert kann man der Eingangskennlinie der Röhre entnehmen (siehe  Katoden-Basis-Schaltung). Insgesamt gesehen ergibt sich dadurch eine nicht korrigierbare Nichtlinearität, die umso größer ist, je größer der Betrag der Abschnürspannung der Röhre im Verhältnis zur Betriebsspannung ist. Als Abschnürspannung bezeichnet man übrigens diejenige Gitter-Katoden-Spannung, bei der der Anodenstrom gerade Null wird (abgesehen von geringen aber unvermeidlichen Restströmen).

In den meisten Fällen benutzt man einen Katodenfolger als Stromverstärker, um den Ausgangswiderstand einer Katodenbasisschaltung herabzusetzen. In diesem Fall verbindet man das Gitter des Katodenfolgers direkt mit der Anode der vorausgehenden Verstärkerstufe. Die Vorspannung, die mit R1 und R2 künstlich erzeugt wird, ist bei ihr nämlich schon gleich vorhanden. Die gesamte Schaltung sieht dann folgendermaßen aus:

Kathodenbasisscaltung mit nachfolgendem Katodenfolger
Bild 2: Katodenbasisschaltung mit nachfolgendem Katodenfolgers




Dimensionierung eines Katodenfolgers

Nun kommen wir zur Berechnung der wenigen Bauteile. Bei der eigenständigen Schaltung laut Bild 1 werden zuerst einmal die gleichgroßen Widerstände R1 und R2 festgelegt. Da Röhren einen Eingangswiderstand von meistens einigen Megaohm besitzen, dimensioniert man sie entsprechend dem gewünschten Eingangswiderstand, also meistens zwischen ca. 50 kΩ und 1 MΩ. Weil R1 und R2 wechselstrommäßig parallelgeschaltet sind, müssen sie doppelt so groß wie der gewünschte Eingangswiderstand sein. Hierbei muß man beachten, daß es einen oberen zulässigen Wert für R1 gibt, der von der verwendeten Röhre abhängt und dem jeweiligen Datenblatt entnommen werden bzw. aus den dort angegebenen Gitterströmen berechnet werden muß. Grund hierfür ist, daß der Gitterstrom nicht wirklich Null ist, sondern geringe Restströme vorhanden sind, die von der Gitterspannung und dem Anodenstrom abhängen. Wenn der Gitterwiderstand zu groß ist, fällt an ihm eine nennenswerte Spannung ab, wodurch die Gitterspannung bei fehlendem Eingangssignal nicht die Hälfte der Betriebsspannung beträgt.

Wenn R1 und R2 festgelegt wurden, kann man den Wert von C1 bestimmen. Dieser bildet mit dem Eingangswiderstand der Schaltung (also in erster Näherung die Hälfte von R1 bzw. R2) einen Hochpaß. Dies bedeutet, daß Frequenzen unterhalb seiner Grenzfrequenz zunehmend abschwächt sprich leiser wiedergegeben werden. Für die Berechnung des Kondensators gilt bei vorgegebener Grenzfrequenz folgende Formel:


Beispiel: Bei einem Eingangswiderstand von 100 kΩ und einer gewünschten Grenzfrequenz von 20 Hz ergibt sich ein Wert von 7,9577.10-8 F sprich 79,577 nF. Der nächste Wert aus der Normenreihe ist 82 nF. Wenn der gewünschte Wert mitten zwischen zwei Normwerten liegt, sollte man übrigens zum größeren Wert greifen, was eine etwas geringere Grenzfrequenz ergibt. Statt 82 nF könnten Sie auch 100 nF verwenden, denn der Wert von C1 ist ziemlich unkritisch. Großzügiges Aufrunden ist erlaubt. Im Beispiel würde sich die untere Grenzfrequenz bei 100 nF auf ca. 16 Hz verringern.

Die Dimensionierung des Katodenwiderstands R3 hängt vom gewünschten Strom durch die Röhre ab. Kommt es auf einen geringstmöglichen Ausgangswiderstand an, wählt man ihn so, daß durch ihn (und damit auch durch die Röhre) bei voll durchgesteuerter Röhre der maximal zulässige Röhrenstrom fließt. Den maximal zulässigen Anodenstrom entnimmt man dem Datenblatt. Gemäß ohmschem Gesetz braucht man dazu nur den Wert der Betriebsspannung durch diesen Maximalstrom zu dividieren.

Der Wert von C2 ist abhängig vom Eingangswiderstand des angeschlossenen Verbrauchers bzw. der nachfolgenden Verstärkerstufe. Sein Wert berechnet sich nach der gleichen Formel wie der Eingangskondensator C1, nur daß man als Widerstand den Wert des Verbrauchers bzw. der Verstärkerstufe einsetzen muß.

Katodenfolger mit Tetroden und Pentoden

Die weiter oben anhand einer Triode beschriebene Katodenfolger-Schaltung kann unverändert auch mit Tetroden und Pentoden verwendet werden. Der einzige Unterschied in der Schaltungstechnik ist, daß die zusätzlichen Gitter beschaltet werden müssen. Und zwar wird bei Tetroden und Pentoden das Schirmgitter an eine Spannung gelegt, die meistens etwas kleiner als die Versorgungsspannung ist. Bei Pentoden wird zusätzlich das Bremsgitter mit Masse verbunden.


Bild 3: Beschaltung einer Tetrode/Pentode als Katodenfolger

Die Wirkungsweise ist genau die gleiche wie bei Verwendung einer Triode. Durch die verglichen mit einer Triode höhere Leerlaufverstärkung ist der Gegenkopplungsgrad deutlich höher, wodurch sich ein lineareres Verhalten ergibt. Das Problem, daß die Ausgangsspannung mit einem aussteuerungsabhängigen Versatz der Eingangsspannung folgt, besteht jedoch auch bei Pentoden.
  

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