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Röhrentechnik: Die Technik von Röhrenverstärkern verstehen

Die meisten Gitarren- oder Bass-Verstärker basieren auf der Röhrentechnik. Der Grund für die Beliebtheit von Röhrenamps ist der Sound. Mehr über die Technik von Transistor-Amps kannst du auf der Themenseite zu Gitarrenverstärkern nachlesen.

Ein Problem heutiger Marketing-Manager unserer Branche besteht darin, neue Produkte für Gitarre und Bass am Markt zu platzieren, deren Grundkonzeption – nicht zuletzt auf Kundenwunsch – seit Jahrzehnten unverändert blieb.

Ein Weg aus diesem Dilemma wäre es, bewährte Geräte, wie beispielsweise Fender Twin oder Marshall JTM45, nicht als Reissue Mockup, sondern in exakt gleichem elektrischen und mechanischen Aufbau wieder aufzulegen – Interessenten dafür gäbe es sicherlich, doch wer würde dafür die (gerechtfertigten!) hohen Preise zahlen wollen?

Vor diesem Hintergrund erscheint es unter Marketing-Gesichtspunkten durchaus plausibel, wenn man argumentativ auf andere Alleinstellungsmerkmale ausweicht. Dazu gehört beispielsweise die Möglichkeit, die Endstufe des selben Gerätes mit verschiedenen Röhrentypen (z. B. EL34, 6L6 oder 6550) bestücken zu können sowie eine Umschaltung von Pentoden- auf Trioden-Modus oder die Wahl der Betriebs-Klasse A, A/B und B vorzusehen. Seit einiger Zeit wird sogar ein Wechsel von Gegentakt- auf Eintaktbetrieb gehandelt.

Ein solches Produkt wird hierbei leicht zur eierlegenden Wollmilchsau mit allen daraus resultierenden Problemen – viel wichtiger aber noch: Das Verständnis potentieller Kunden bleibt hinter den Segnungen solcher marktgetriebener Errungenschaften deutlich zurück.

Zeugnis davon geben etliche der einschlägigen Diskussionsforen im Internet, bei denen locker mit Fachbegriffen hantiert wird, ohne dass der betreffende Autor offenkundig auch nur einen blassen Schimmer davon hat, worüber er gerade schwafelt.

Dabei muss man allerdings eine Lanze für unsere MI-Branche brechen: Für Musiker stehen (gottseidank!) auch hier eher praktische Aspekte im Vordergrund, während sich Röhren-HiFi-Fans gerne in Voodoo-Abgründen zu suhlen scheinen. Natürlich wäre es vermessen zu erwarten, dass sich jeder Interessierte gleich zum Röhrenexperten aufschwingt, aber gewisse Basiskenntnisse können gelegentlich doch recht hilfreich sein, wenn man den Kauf eines Gerätes plant oder sich, wie in unserem Fall, mit der Auswahl einer passenden DIY-Schaltung beschäftigt.

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Die Entstehung von Röhrenamps

Bereits Anfang des 20. Jahrhunderts führten Experimente mit Elektroden, die in luftleer gepumpten Glasröhren untergebracht wurden, zur Entwicklung der Zweipol-Röhre (Diode) durch John A. Fleming. Die Diode verfügt über eine Glüh-Kathode sowie eine Anode und lässt den Strom nur in eine Richtung fließen – so fand (und findet) sie ihre vornehmliche technische Anwendung als Gleichrichter von Wechselstrom (z. B. 5U4). Lee de Forest fügte ein sogenanntes Gitter zwischen Anode und Kathode und ließ sich 1907 diese Anordnung als Dreipol-Röhre (Triode) patentieren.

Abb. 1 Röhrentypen
Abb. 1 Röhrentypen

Die Triode erlaubte es erstmalig, schwache Ströme zu verstärken und dominierte für lange Zeit die Schaltungstechnik. Zudem fand Manfred von Ardenne (seine Autobiografie ist übrigens gerade für DIY-Interessierte höchst spannend – ISBN10: 3518368109) in den 30er Jahren heraus, wie man mehrere Röhrensysteme in einem Glaskolben unterbringen kann. Ein späteres Ergebnis davon ist die Doppeltriode ECC83/12AX7, die zwei gleiche Triodensysteme beherbergt und bis heute die Standardbestückung in Audio-Vorverstärkern bildet. Weitere Experimente mit zusätzlichen Gittern (G2 + G3) führten 1927 zum Patent der Firma Philips auf die Fünfpol-Röhre (Pentode), deren Verstärkungseigenschaften erheblich über dem von Trioden liegen, was sie besonders für den Bereich der Leistungsverstärker interessant macht – bekannte Beispiele für Endpentoden sind EL34 und EL84.

Aufgrund der für sie ungünstigen Patentlage entwickelten vornehmlich englische (Mullard) und amerikanische (RCA) Firmen eine Vierpol-Röhre (Tetrode), die durch Einfügen eines zusätzlichen Hilfsgitters zur sogenannten Beam Power Tetrode weiterentwickelt wurde – Beispiele: 6L6 und 6V6. Durch das Aufkommen der Fernseh-Technik in den 50er Jahren und ihrer spezifischen Anforderungen entstanden später noch weitere Röhrentypen (Hexode, Heptode etc.), die aber für unsere Belange ohne Bedeutung sind – im Audiobereich spielen heute nur noch Trioden, Beam Power Tetroden und Pentoden eine Rolle.

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Wie funktioniert ein Röhrenverstärker?

Alle Röhren (exotische Ausnahme: Kaltkathodenröhren) haben etwas gemeinsam: Eine der Elektroden, die Kathode, wird von einem durch einen Heizfaden fließenden Strom bis zur Rotglut erhitzt. Sie sendet dann freie Elektronen aus, die eine Elektronenwolke um sie herum bilden. Heute werden fast ausschließlich Röhren mit indirekter Heizung verwendet bei denen die röhrenförmige Kathode durch einen innen liegenden, elektrisch getrennten Heizfaden erhitzt wird.

Wenn an die Anode eine (bezogen auf die Kathode) positive Spannung angelegt wird, werden die von der Kathode ausgesendeten freien Elektronen von dieser Elektrode angezogen – es fließt also ein Elektronenstrom von der Kathode zur Anode. Die einfachste Verstärkerröhre, die Triode, enthält zusätzlich zu Kathode und Anode ein Steuergitter (g), bei dem es sich um ein aus feinem Draht gewickeltes Gitter handelt, das die Kathode mit geringem Abstand auf ihrer ganzen Länge umgibt.

Abb. 2 Aufbau einer Triode
Abb. 2 Aufbau einer Triode

Da die Abstände zwischen den einzelnen Drahtwindungen des Gitters im Verhältnis zum Durchmesser des Drahtes groß sind, können die Elektronen ungestört von der Kathode zur Anode fließen. Legt man aber an dieses Drahtgitter eine (bezogen auf die Kathode) negative Spannung an, so wird der Elektronenstrom von der Kathode zur Anode beeinflusst. Bei einer positiven Spannung an der Anode und zunehmend negativ werdender Spannung am Gitter wird der von der Kathode zur Anode fließende Elektronenstrom immer kleiner.

Eine Veränderung der negativen Gitterspannung, zum Beispiel durch ein am Gitter angelegtes Audiosignal, hat eine entsprechende Änderung des Elektronenstroms im Takte der Musik zur Folge. Trägt man die Änderung des Anoden-Stromflusses einer Röhre in Abhängigkeit von der Gitterspannung als Diagramm auf, erhält man – bei konstant gehaltener Anodenspannung – die sogenannte Kennlinie dieser Röhre.

Abb. 3 Kennlinien ECC83/12AX7
Abb. 3 Kennlinien ECC83/12AX7

Im linken Diagramm der Abbildung 3 sieht man, wie sich die Kennlinien mit unterschiedlichen Anodenspannungen verhalten; das rechte Diagramm zeigt die Kennlinien mit verschiedenen Gittervorspannungen.

Triodenverstärker

Kennlinien und Röhrenkonstanten lassen sich zwar für jede Röhre messtechnisch ermitteln, sind aber in dieser Form für uns wenig brauchbar: In der Praxis will man meist nämlich keinen Strom-Verstärker, sondern einen Spannungs (Vorstufe) oder Leistungsverstärker (Endstufe) realisieren. Legt man nun einen Widerstand in den Anodenstromkreis, so wird die Röhre zum Spannungsverstärker: Der durch den Widerstand fließende Anodenstrom erzeugt dort einen Spannungsabfall (Ohm’-sches Gesetz) und damit eine sich proportional mit der Gitterspannung verändernde Ausgangsspannung.

Die bei der Kennlinien-Ermittlung (s. o.) vorausgesetzte, konstante Anodenspannung ist in diesem Fall natürlich nicht mehr gegeben. Da die Anode gewissermaßen durch das Gitter auf die von der Kathode ausgesendeten Elektronen zugreift, übt sie (wie das Gitter) einen steuernden Einfluss auf die Spannungsverstärkung der Schaltung aus – man spricht daher vom sogenannten Durchgriff. Hierdurch wird der reale Spannungsverstärkungsfaktor erheblich kleiner, als der unter Messbedingungen ermittelte Leerlaufverstärkungsfaktor. Als Beispiel soll die bekannte Doppeltriode ECC83 dienen: Ihr Leerlauf-Verstärkungsfaktor wird mit 100 angegeben, in einer „realen“ Verstärkerschaltung ist aber bestenfalls eine Spannungsverstärkung von 70 realisierbar.

Pentoden

Der Verstärkungsfaktor einer Röhre lässt sich vergrößern, wenn der Durchgriff, also die Rückwirkung der Anodenspannung auf das Gitter und die Kathode verkleinert oder beseitigt wird. Mit der Entwicklung der Tetrode wurde dieses Ziel weitgehend erreicht. Bei diesem Röhrentyp befindet sich zwischen Gitter und Anode eine weitere, gitterförmige Elektrode, die als Schirmgitter oder g2 bezeichnet wird. Erhält sie eine feste positive Spannung in der Größenordnung der Anodenspannung, so übernimmt sie, wie die Anode, eine Anziehungsfunktion auf den von der Kathode ausgehenden Elektronenstrom.

Da dieses Schirmgitter aber sehr weitmaschig angelegt ist, können die Elektronen nahezu unbeeinflusst hindurch zur Anode strömen. Andererseits verhindert das Schirmgitter, dass die Anodenspannung auf das Steuergitter „durchgreift“ – eine, durch den oben beschriebenen Spannungsabfall am Anodenwiderstand (Ra) verursachte Änderung der Anodenspannung, kann somit nicht auf Schirmgitter und Kathode zurückwirken.

Da der Elektronenstrom nicht von der Anodenspannung beeinflusst wird, geht der Durchgriff praktisch gegen Null. Mit der Entwicklung der Tetrode hatte man zwar das Problem des Anoden-Durchgriffs bei Trioden gelöst, gleichzeitig aber ein neues geschaffen: Bei hoher Aussteuerung fällt die Spannung an der Anode manchmal unter die des Schirmgitters. In diesem Fall fließen Elektronen von der Anode zum positiveren Schirmgitter zurück. Bei der Pentode wird das verhindert durch ein zwischen Schirmgitter und Anode eingefügtes, zusätzliches Gitter.

Dieses sogenannte Bremsgitter (g3) wird auf Massepotential gelegt. Es unterbindet den Rückfluss der Elektronen von der Anode zum Schirmgitter. Prominenteste Vertreter der Pentode in unserem Bereich sind die EL34 sowie ihre kleine Schwester EL84. Aus patentrechtlichen Gründen (s. o.) hat man seinerzeit das Tetroden-Prinzip ebenfalls weiterentwickelt, indem man ein Hilfsgitter einfügte, das eine ähnliche Wirkung hat, wie das Pentoden-Bremsgitter. Gängige Vertreter dieser als Beam Power Tetrode bezeichneten Röhrentype sind 6L6 und 6V6. Da sich die Beam Power Tetrode in ihrer Funktion kaum von der einer Pentode unterscheidet, wird dieser Röhrentyp in der Praxis ebenfalls unter Pentode geführt.

Vorverstärker

Vergleicht man die Eigenschaften von Trioden und Pentoden, zeigt sich die Pentode mit ihrer etwa um den Faktor 3 höheren Verstärkung zwar deutlich überlegen – aber eben nur hinsichtlich der Spannungsverstärkung. Daneben gibt es jedoch auch andere Faktoren, die im Zusammenhang mit einem Audio-Verstärker eine wichtige Rolle spielen, insbesondere röhrentypische Verzerrungen und das daraus resultierende Oberwellenspektrum (Harmonische). Hier sind Trioden gegenüber Pentoden deutlich im Vorteil: Trioden haben eine sogenannte quadratische Verstärkungskennlinie, bei der Verzerrungen auftreten, die unser Ohr keineswegs unangenehm empfindet. Dominierend ist dabei die zweite Harmonische (K2); mit zunehmender Ordnungszahl nimmt der Verzerrungsanteil ab.

Die Gesamtheit der Verzerrungen wird im angelsächsischen Bereich als Total Harmonic Distortion (THD) bezeichnet. Das ausgeglichene Verzerrungsspektrum unserer Doppeltriode ECC83/12AX7 prädestiniert sie geradezu für den Einsatz in Vorverstärkerstufen.

Abb. 4 Verzerrungs-Spektrum der ECC83/12AX7
Abb. 4 Verzerrungs-Spektrum der ECC83/12AX7

Abbildung 4 zeigt das typische Verzerrungsverhalten eines mit ECC83 bestückten Vorverstärkers – in der Verteilung der Obertöne (Harmonische) ist deutlich die Dominanz der „angenehmen“ 2. Harmonischen zu erkennen. Bei entsprechender Verschaltung beider Systeme – z. B. in Kaskodenanordnung – lässt sich die Gesamtverzerrung (THD) übrigens durchaus noch senken, was allerdings in Gitarrenverstärkern nicht unbedingt erwünscht ist.

Vergleicht man übrigens die Verstärkung einer einzelnen Vorverstärker-Pentode, wie beispielsweise der EF86, mit der Gesamtverstärkung von beiden Systemen einer ECC83/12AX7 in entsprechender Verschaltung, so zeigt sich die Doppeltriode auch hier überlegen. Im Ergebnis findet man, zumindest bei modernen Vorverstärkern, nunmehr fast ausschließlich Doppeltrioden dieses Typs.

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Wie ist ein Röhrenverstärker aufgebaut?

Übertrager

Zu den wichtigsten Bauteilen eines Leistungsverstärkers gehören, neben den Endröhren selbst, die Ausgangsübertrager. Von wenigen Exoten im HiFi-Bereich (OTL, Futterman etc.) einmal abgesehen, besitzen nahezu alle Gitarrenverstärker auf Röhrenbasis einen Ausgangstrafo (Ausgangsübertrager). Warum? Röhren sind Verstärkerbauteile, die mit hoher Spannung (einige hundert Volt) und relativ kleinem Strom (einige zehn bis wenige hundert Milliampere) arbeiten.

Daraus folgt, dass sich nur hochohmige (einige Kiloohm) Verbraucher unter Wahrung eines hohen Wirkungsgrades direkt ankoppeln lassen. Lautsprecher haben jedoch üblicherweise Impedanzen zwischen 4 und 16 Ohm und müssen daher widerstandsmäßig an die Endröhren angepasst werden. Diese Aufgabe übernimmt der Ausgangstrafo.

Abb. 5
Abb. 5

Vor etlichen Jahren besuchte ich Ulis Musik, ein renommiertes Kölner Fachgeschäft. Uli Kurtinat, Eigentümer des Ladens und ausgewiesener Experte für Gitarren-Equipment, hob gerade einen Röhrenverstärker an, mit dem Spruch: „Kann nicht klingen – wiegt nämlich nichts“. So trivial sich das anhören mag, dahinter steckt in der Tat die Erkenntnis, dass ein Röhrenverstärker mit ausreichendem Trafovolumen ausgestattet sein muss, um eine entsprechende Leistung sauber übertragen zu können. Trafos mit ausreichendem Volumen sind aber nur mit entsprechend großen Eisenkernen zu realisieren und die haben nun mal ihr Gewicht Seinerzeit galten diese Aussagen übrigens für Netz- wie Ausgangstrafo und sogar für eine eventuell vorhandene Netzdrossel.

Abb. 6
Abb. 6

Künftig dürfte dafür nur noch der Ausgangstrafo stehen, da es mittlerweile nämlich zuverlässige und kostengünstige Schaltnetzteile gibt, die Netztrafo und Drossel durchaus ersetzen können und die hinsichtlich ihres geringen Leistungsgewichtes unschlagbar sind. So wird es vermutlich nur noch eine Frage der Zeit sein, bis diese, im Halbleiterbereich bereits selbstverständlichen, Stromlieferanten auch in Leistungsverstärkern auf Röhrenbasis Einzug halten.

Für Puristen möchte ich hier anmerken, dass es dem Verstärker letztlich wurscht ist, woher er seinen Saft bezieht – selbst ein eventuell wünschenswertes „sagging“, also das Einbrechen der Versorgungsspannung bei (Dauer-)Belastung und der dadurch hervorgerufene spezifische Kompressionseffekt lassen sich durchaus auch mit anderen schaltungstechnischen Maßnahmen hervorrufen. Warum ist der Ausgangsübertrager die mit Abstand teuerste Einzelkomponente eines Röhrenverstärkers?

Abb. 7
Abb. 7

Außenstehende mögen einen solchen Ausgangsübertrager als LowTech-Produkt ansehen – in der Tat setzt dessen Herstellung aber hohe handwerkliche Fertigkeiten und vor allem viel Erfahrung voraus, über die nur noch wenige Firmen verfügen. Da die Fertigung von AÜs zudem nur bedingt automatisierbar ist, sehen sich viele Hersteller von Massenprodukten gezwungen, auf Billiglohnländer auszuweichen, mit der Folge oft mangelnder Qualität. Angesichts explodierender Rohstoffpreise, wird zudem bei der Dimensionierung und an den verwendeten Materialien gespart.

So ist es kaum verwunderlich, dass Vintage-Produkte, wie beispielsweise die des Herstellers Partridge, heiß begehrt sind. Allerdings haben auch Firmen wie der kalifornische Hersteller Mercury Magnetics erkannt, dass sich mit solide ausgeführten Übertragern gerade heute wieder gutes Geld verdienen lässt – die Devise heißt hier: Value for Money.

Endröhren

Im Gegensatz zum engen Markt für Ausgangstransformatoren, hat sich mittlerweile wieder eine stattliche Anzahl von Herstellerfirmen für Röhren etabliert – vornehmlich in den ehemaligen Comecon-Ländern wie beispielsweise Russland, Slowakei und Rest-Jugoslawien, aber auch China mischt hier kräftig mit.

Durchaus positiv entwickelt hat sich auch das Preis-/Leistungsverhältnis: Wenngleich die Fertigungsqualität legendärer Hersteller wie beispielsweise Telefunken, Valvo, Brimar oder RCA – vor allem hinsichtlich enger Toleranzen und geringer Exemplarstreuungen – bisher noch unerreicht blieb, werden zwischenzeitlich wieder gängige Typen in hoher Qualität zu moderaten Preisen angeboten.

Da besonders Endröhren einem natürlichen Verschleiß unterliegen, bleibt es daher wohl abzuwägen, ob man sich beim Kauf für Produkte aus laufender Fertigung oder für sogenannte NOS-Ware (NOS – New Old Stock = Neue Ware aus alten Lagerbeständen) entscheidet, zumal ihre Herkunft oft ungewiss ist, die geforderten Preise jedoch in zum Teil astronomische Höhen klettern können.

Als Leistungs- oder Endröhren kommen in der Regel nur Pentoden (EL34/84, KT 88 etc.) oder Beam Power Tetroden (6L6/6V6, 5881, 6550 etc.) zur Anwendung. In ihrem prinzipiellen Aufbau, der Funktionsweise, der externen Beschaltung oder dem Verlauf der Kennlinien unterscheiden sie sich nicht von den Kleinsignalröhren. Sie sind jedoch für den Betrieb mit höheren Spannungen und Strömen ausgelegt: Bei Kleinsignalröhren beträgt der Anodenstrom weniger als 10 mA, bei Endröhren hingegen sind Werte von einigen 10 mA bis einigen 100 mA üblich.

Beim Betrieb einer Röhre kann die zugeführte Energie leider nur zum Teil in nutzbare (Lautsprecher-)Leistung umgesetzt werden, der Rest geht als Verlustwärme verloren. Die maximale Anoden-Verlustleistung von Kleinsignalröhren beträgt rund 2 Watt, während Leistungsröhren bis zu 40 Watt verballern, zudem erfordern sie wegen des höheren Anodenstroms auch höhere Heizleistungen: Kleinsignalröhren sind hier mit maximal 2 Watt zufrieden, Endröhren hingegen nehmen sich bis zu 10 Watt. Klangliche Unterschiede bei den beiden Endröhrentypen sind Geschmackssache – während der eine Musiker die schnelle und harsche Ansprache der Pentode bevorzugt, liebt es der andere mit der Beam Power Tetrode eher kontinuierlich und dezent.

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Was sind Eintakt(se)-verstärker?

Röhrenendstufen lassen sich entweder mit nur einer Endröhre als Eintakt- (Single Ended, SE), oder als Gegentakt-(Push-Pull, PP) Verstärker mit zwei oder mehr Endröhren konzipieren. Die Eintaktschaltung, deren Leistungsspektrum sich meist unterhalb von 10 Watt bewegt, kam ursprünglich nur in kleinen Gitarren-Combos (z. B. Fender Champ) zur Anwendung, erlebt neuerdings jedoch ein gewisses Revival in Röhren-Verstärkern der unteren Preiskategorie. Im HiFi-Bereich hingegen sind es gerade Eintaktverstärker, die höchstes Ansehen genießen, und entsprechend hoch sind die Preise.

Ein Grund hierfür ist, dass SE-Verstärker für Musikanwendungen prinzipiell im A-Betrieb (s.w.u.) arbeiten. Das führt zu gewissen klanglichen Vorteilen die durchaus auch von Gitarristen geschätzt werden, wohingegen der Kostenvorteil beim SE-Verstärker (weniger Komponenten) durch einen aufwendigeren Ausgangsübertrager wieder aufgefressen wird.

Der Grund: In dieser Betriebsart fließt der Anoden(gleich)strom durch die Primärwicklung des Ausgangsübertragers und bewirkt dadurch eine Vormagnetisierung des Trafokerns mit entsprechend hohem Leistungsverlust. Diese Vormagnetisierung lässt sich in der Eintaktschaltung nur durch einen Trafokern mit Luftspalt klein halten, mit der Folge, dass eine höhere Windungszahl für die Realisierung einer bestimmten Induktivität benötigt wird, was den Trafo voluminöser und teurer macht. Bescheiden ist auch der Wirkungsgrad eines SE-Verstärkers, der mit maximal 50 % deutlich unter dem von PP-Anordnungen liegt.

Was sind Gegentakt(pp)-verstärker?

In nahezu allen Röhrenverstärkern mit einer Leistung von über 10 Watt finden wir Endstufen in Gegentaktschaltung. Die technischen Vorzüge dieser Schaltungsart: Die Betriebsspannung liegt an der Mittelanzapfung der Primärwicklung des Ausgangstrafos.

Da hiermit nahezu gleiche Anoden-Ruheströme der beiden Endröhren durch entgegengesetzt gewickelte Primär-Windungshälften des AÜs fließen, heben sich die beiden Magnetfelder gegenseitig auf – der Eisenkern wird hierbei also nicht vormagnetisiert, der Trafo ist dadurch weniger aufwendig. Aufgrund der linearisierten Kennlinie (für den Besser-Wisser: Die gegenphasige Addition von zwei quadratischen Gitterkennlinien ergibt eine Gerade) können die Röhren stärker ausgesteuert werden. Die Ausgangsleistung der Gegentaktschaltung ist deshalb mehr als doppelt so groß wie die einer Eintaktschaltung.

Der zusätzliche Schaltungsaufwand für die PP-Schaltung, bedingt durch die Notwendigkeit von zwei gegenphasigen Steuerspannungen für die Endröhren, wird kostenmäßig durch den einfacheren Aufbau des Ausgangstrafos kompensiert.

Die Gittervorspannung (bias)

Wie bereits erläutert, besitzt jede Röhre eine spezifische Kennlinie, von der im realen Betrieb nur ein bestimmter (linearer) Abschnitt nutzbar ist, die sogenannte Arbeitsgerade. Auf dieser befindet sich der Arbeitspunkt, um den das zugeführte Audio-Signal schwankt. Die Lage dieses Arbeitspunktes ist insofern kritisch, als dass gewährleistet sein muss, dass die Signalamplitude (Schwingungsweite) keinesfalls in die äußeren (nicht-linearen) Bereiche der Kennlinie kommt – liegt der Arbeitspunkt also zu hoch oder zu tief, hat dies bei entsprechender Aussteuerung Verzerrungen zur Folge.

Die Lage des Arbeitspunktes wird durch die (negative) Gittervorspannung (Bias) festgelegt, die auf zwei Arten erfolgen kann: Bei der sogenannten automatischen Vorspannungserzeugung wird die Gitterspannung durch einen passenden Kathodenwiderstand abgesenkt, das Gitter wird damit negativer gegenüber der Kathode. Diese Schaltungsart findet man in nahezu allen PreAmp-Schaltungen sowie in Endstufen, die im A-, zum Teil auch im A/B-Betrieb (s.w.u.) arbeiten.

Bei der zweiten Art der Gittervorspannungseinstellung, die man in den meisten Gitarrenverstärkern größerer Leistung (im A/B oder B-Betrieb s.w.u.) vorfindet, wird dem Gitter eine definierte negative Gleichspannung von einer entsprechenden Spannungsquelle zugeführt, die in vielen Fällen einstellbar (biasing) ist. Manche Verstärker sehen dabei nur eine kollektive Regelung vor, die auf beide Endstufenhälften gleichermaßen wirkt, während andere eine Differenzregelung für jede Endstufenhälfte separat erlauben. Letztere hat den Vorteil, dass man Exemplarstreuungen oder unterschiedlich verlaufende Alterungsprozesse in einem bestimmten Rahmen ausgleichen kann.

Eine zu geringe negative Gittervorspannung (hot biasing) erhöht zwar die Leistung des Amps, führt jedoch zu vorzeitigem Verschleiß oder sogar zur Zerstörung der Röhre, während eine zu hohe negative Gitterspannung (cold biasing) einen schlappen Gitarrenverstärker zur Folge hat – bei der Einstellung sind also die Herstellerdaten zu beachten. So gibt beispielsweise Telefunken für seine EL34 folgendes an:

2 Röhren in Gegentakt B-Betrieb:

  • Anodenspannung 375 V, Ug1 –32 V
  • Anodenspannung 475 V, Ug1 –36 V
  • Anodenspannung 750 V, Ug1 –39 V

Hier noch eine Warnung aus der Praxis: Finger weg von der Bias-Einstellung, wenn man nicht genau weiß, was man da treibt und/oder nicht über geeignetes Werkzeug verfügt!

Bei vielen älteren Amps sind die Einstelltrimmer so marode, dass sie auch bei vorsichtigem Drehen abbrechen können – Folge: die betreffenden Röhren kriegen rote Bäckchen und verabschieden sich gelegentlich sogar ins Jenseits. Ähnliches gilt für die Messung am Gitter selbst (EL34/6L6 – Pin 5) – abseiten der gefährlichen Hochspannung (!!!) in unmittelbarer Umgebung (EL34/6L6 Pin 3 und 4) stehen vielen Amateuren nur Billigmessgeräte zur Verfügung, die einen zu geringen Innenwiderstand besitzen. Dieser belastet die meist hochohmige Gleichspannungsquelle so stark, dass die Gitterspannung in die Knie geht – Folge: siehe oben.

Auch das in gewissen Kreisen beliebte „hot biasing“ hat so seine Tücken. Natürlich spricht der Amp schneller auf Übersteuerung an und hat zudem etwas mehr Leistung, andererseits riskiert man hier auch einiges – die Lebensdauer der Röhren sinkt beträchtlich, bei Übertreibung kann sogar kurzfristig der Exitus eintreten.

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Welche Betriebseinstellungen gibt es bei Röhrenverstärkern?

A-Betrieb

Beim sogenannten Gegentakt A-Betrieb werden die Arbeitspunkte (s. o.) der Endröhren in die Mitte der Eingangskennlinie gelegt. Im Idealfall speisen beide Röhren den Ausgangsübertrager mit identischen, unverzerrten Signalen, das Ausgangssignal ist sauber. Übel sieht es jedoch mit dem Wirkungsgrad aus: Er beträgt gerade einmal 50 %, der Rest ist Abwärme (legendäres Beispiel: Ein heißer Vox AC30). Die Ausgangsleistung ist doppelt so groß wie bei einer Eintaktschaltung.

B-Betrieb

Beim B-Betrieb befindet sich der Arbeitspunkt am unteren Ende der Eingangskennlinie. Jede der beiden Röhren verstärkt so nur eine Halbwelle des Eingangssignals. Im Idealfall addieren sich so zwei saubere Halbwellen zu einem unverzerrten Ausgangssignal.

Der Wirkungsgrad der Schaltung beträgt etwa 66 %. Bei gleicher Auslegung der Stromversorgung wie für einen Gegentakt A-Verstärker ist die Ausgangsleistung entsprechend größer und mehr als doppelt so groß wie die eines Eintaktverstärkers.

Vorurteile gegen eine reine B-Schaltung stammen übrigens aus dem Bereich der Halbleiterverstärker – dort hat diese Betriebsart mit Recht einen schlechten Ruf. (für den Besser-Wisser: Transistorkennlinien sind von einem exakt-quadratischen Verlauf weit entfernt. Bei einer Addition, die trotz unterschiedlicher Schaltungstechnik und ohne Ausgangsübertrager auch bei einem Halbleiterverstärker stattfindet, gibt es daher Unstetigkeiten in der Nähe des Nulldurchganges der Signalkurve.

Die Folge sind sogenannte Cross-Over-Verzerrungen. Röhren hingegen haben eine (theoretisch!) exakt quadratische Eingangskennlinie, daher ist auch die resultierende Kennlinie eine Gerade – ein solcher (idealer) Röhrenverstärker arbeitet also selbst im reinen B-Betrieb verzerrungsfrei.

A/B-Betrieb

Bei einer A/B-Schaltung liegt der Arbeitspunkt tiefer als beim A-, jedoch höher als beim B-Verstärker. Bei kleiner und mittlerer Aussteuerung werden beide Halbwellen von beiden Röhren unverzerrt verstärkt. Bei großer Aussteuerung wird aber jeweils eine der Halbwellen angeschnitten – da dies bei beiden Röhren gleichermaßen geschieht, wird im Idealfall das volle Signal durch Addition im Ausgangsübertrager wieder unverzerrt hergestellt. Hinsichtlich Wirkungsgrad sowie maximaler Ausgangsleistung übertrifft die AB-Schaltung den reinen A-Verstärker, erreicht aber nicht die mit einem B-Verstärker erzielbaren Maximalwerte.

Abb. 8
Abb. 8

In der Praxis

Den obigen Ausführungen könnte man entnehmen, dass alle drei Betriebseinstellungen eine unverzerrte Leistungsverstärkung liefern und sich vor diesem Hintergrund fragen, warum nicht ausschließlich B-Verstärker gebaut werden. In der Praxis findet man aber keineswegs ideale Voraussetzungen vor: Die Kennlinien von zwei Röhren sind, selbst wenn sie sorgfältig gepaart wurden, nie identisch, und haben bedauerlicherweise auch keinen exakt quadratischen Verlauf. Aus diesem Grund liefert auch keine der drei Betriebseinstellungen ein vollkommen verzerrungsfreies Ausgangssignal.

Zwar sind die Unterschiede zwischen A- und A/B-Betrieb verhältnismäßig klein, jedoch ist ein in Class B betriebener Verstärker mess- und hörbar schlechter, besonders bei kleiner Aussteuerung und im Bereich der halben Maximalleistung. Als Kompromiss wird daher gern auf den A/B-Betrieb zurückgegriffen, den man gewissermaßen als A-Verstärker mit Leistungsreserve bezeichnen könnte. Unter Last zeigt sich hier folgendes Bild: Bei kleiner Aussteuerung werden beide Halbwellen voll verstärkt, bei zunehmender Steuerspannung eine Halbwelle voll, die andere jedoch nur noch teilweise. Die Übergänge dazwischen nehmen Einfluss auf die Belastung des Netzteils, die Anpassung an die (Lautsprecher-) Last sowie auf die Verzerrungen.

Hier liegt die Herausforderung für die Entwickler: Während bei einem reinen A- oder B-Verstärker die Situation klar ist, da der jeweilige Arbeitspunkt feststeht (Mitte der Eingangskennlinie beim A-Verstärker, unteres Ende beim B-Verstärker), macht es der A/B-Betrieb jedoch erforderlich, die Lage des Arbeitspunktes im Sinne eines jeweiligen optimalen Kompromisses zwischen Wirkungsgrad, maximaler Ausgangsleistung und Verzerrungsfreiheit sorgfältig zu ermitteln. In Abwandlung dieser konventionellen A/B-Einstellung gibt es auch Schaltungstechniken, die einen gleitenden, aussteuerungsabhängigen Arbeitspunkt vorsehen.

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Pentode vs. Trioden

Trotz einiger unstrittiger Vorzüge, insbesondere hinsichtlich ihres Verzerrungsspektrums, spielen reine Triodenverstärker seit den 50er-Jahren außer im High-End-HiFi-Bereich keine Rolle mehr – entsprechende Endtrioden sind ohnehin kaum verfügbar und wenn, dann zu Preisen, die jenseits von Gut und Böse liegen. In jüngster Zeit findet man nun wieder Verstärker auf dem Markt, die eine Umschaltung von Pentoden- auf Triodenbetrieb erlauben, wobei dies allerdings vornehmlich als elegante Lösung zur Leistungsreduzierung bei gleichbleibender Röhrenausstattung (Pentoden) dient.

Wie funktionierts? Legt man das Schirmgitter (g2) einer Pentode nicht auf die Betriebsspannung, sondern verbindet es mit der Anode, so wird aus beiden Elektroden elektrisch gesehen eine Einheit, die Pentode verliert dabei einen Teil ihrer Eigenschaften – sie „spielt“ gewissermaßen Triode (gleiches gilt auch für die Beam Power Tetrode).

Neben anderen Faktoren (s. o.) führt dies zu einer Leistungsverminderung mit hörbarem Unterschied, ohne dass hierbei die Endröhren zusätzlich belastet werden, wie dies bei einem in den Lautsprecherkreis eingebundenen Abschwächer (Attenuator) der Fall ist.

Text & Abbildungen: Martin Thewes


>>In unserer Reihe “MARSHALL-AMPS FAQ” gibt es mehr zum Thema Röhrenamps<<<


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Röhrenverstärker FAQ

Wie lange halten Röhrenverstärker, bzw. wann muss ich die Röhren tauschen?

Das hängt ganz von dem Sound deins Amps ab – klingt er gut, gibt es keinen Grund für einen Wechsel. Am besten hast du immer Ersatzröhren dabei, dann kannst du bei Bedarf die Röhren tauschen und hören, ob der neue Satz besser klingt. Das Verfärben des Röhrenglases ist übrigens noch kein Indiz für defekte Röhren.

Muss ich einen Röhrenverstärker vorheizen?

Ein bisschen Vorlauf braucht jeder Tubeamp, um betriebsbereit zu sein. Mit ein bisschen ist häufig jedoch nur eine Minute gemeint. Um sicher zu gehen, solltest du jedoch in der Bedienungsanleitung nach der benötigten Vorlaufszeit deines Röhrenverstärkers nachlesen.

Welcher Röhrenverstärker passt zu meinem Bass?

Die meisten Bassisten spielen E-Bass und benötigen somit auch einen Bass Röhrenverstärker. Hersteller von Bass Amps sind ebenso die üblichen Verdächtigen – Marshall, Fender, Vox… – wie kleine Boutique-Hersteller. Eine Übersicht von Bass-Amp-Testberichten findest du hier.

Warum klingen Röhrenverstärker anders als Trasistoramps?

Die meisten Gitarren- oder Bass-Verstärker basieren auf der Röhrentechnik. Wie der Name schon sagt, spielen beim Röhrenverstärker Röhren eine wichtige Rolle bei der Erzeugung des Sounds. Viele Gitarristen schwören auf den Sound der Röhre – obwohl die Halbleitertechnik oder die Modeling-Technik teilweise flexibler und einfacher in der Handhabung sind. Mehr über die Technik von Transistor-Amps kannst du auf der Themenseite zu Gitarrenverstärker nachlesen.

Den unterschiedlichen Sound gibt’s in de Youtube-Demos auf die Ohren:

Wer repariert meinen Röhrenverstärker?

Dein Gitarrenverstärker hat einen miesen Sound oder funktioniert nicht mehr? Kein Problem: Wende dich an den Musikalienhändler deines Vertrauens oder direkt an eine Instrumentenwerkstatt. Gerne kannst du auch eine Frage zu deinem Gitarren- oder Bass-Amp an redaktion@gitarrebasss.de senden – in unserer regelmäßigen FAQ Reihe gehen wir auf kniffelige Frage ein.

Welche sind die besten Röhrenverstärker für Gitarre und Bass?

Von den „besten“ Amps kann man nicht sprechen – zu subjektiv sind die Anforderungen und auch die Sound-Empfindungen. Es gibt jedoch eine Reihe Röhrenverstärker, die zu absoluten Klassikern geworden sind. Dazu zählen beispielsweise der Fender Twin, Marshall JTM45, Vox AC30 oder auch der Hughes & Kettner TubeMeister.

Von den besten können wir hier nicht reden – aber von den teuersten: Hier hat Gitarre & Bass Autor Udo Pipper die 10 teuersten Amps der Welt aufgelistet.

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