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Warum aus dem Radion­ist der Audio­nist wurde und andere Fra­gen: Ant­wor­ten gibt es hier! … mehr

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Kom­men­tare schalte ich frei, nach­dem ich sie mir ange­se­hen habe. Dabei kann es zu klei­nen Ver­zö­ge­run­gen kom­men.

Wegen ver­stärk­ten Auf­kom­mens von Kom­men­tar-Spam habe ich ein Plugin instal­liert, das sol­che Stö­run­gen unter­bin­den soll. Sollte ein berech­tig­ter Kom­men­tar nicht eini­ger­ma­ßen zeit­nah von mir frei­ge­schal­tet wer­den, ist er viel­leicht dem Plugin zum Opfer gefal­len. In die­sem Fall bitte per Email nach­ha­ken!

Die 10 neuesten Beiträge

Netzteil mit RC-Siebung für einen Röhrenverstärker

Inhalt:

Vorwort

Nach­fol­gend beschreibe ich den Auf­bau einer höchst­wer­ti­gen, RC-gesieb­ten Span­nungs­ver­sor­gung für einen Röh­ren­ver­stär­ker mit der PL82 als End- und der PC86 als Vor­röhre. Im Zusam­men­hang mit der von Wilimzig/Gysemberg ver­öf­fent­lich­ten PL82-End­stufe („Höchst Emp­find­lich“) sind zu sol­chen Netz­tei­len bereits diverse Mei­nun­gen publi­ziert wor­den – unter ande­rem die, ein sol­cher Ver­stär­ker sei nicht mehr vor­stell­bar, da die Auto­ren es ablehn­ten, in Zukunft wei­ter­hin Netz­teile für Dritte zu berech­nen. In Wider­le­gung des­sen werde ich zunächst dar­stel­len, wel­che Anfor­de­run­gen sol­che Schal­tun­gen erfül­len müs­sen und detail­liert erklä­ren, wie die erfor­der­li­chen Dimen­sio­nie­run­gen zu bestim­men sind. Die Kon­struk­tion einer RC-gesieb­ten Span­nungs­ver­sor­gung ist kein Hexen­werk – alles, was man dazu braucht, ist in der Lite­ra­tur hin­läng­lich beschrie­ben. Unüb­lich ist es ledig­lich, eine End­stufe mit einer sol­chen Siebung aus­zu­stat­ten. Wel­che Vor­teile es aber hat, wenn man es den­noch tut, wird eben­falls erläu­tert wer­den.

Dem auf­merk­sa­men Leser wird auf­fal­len, dass das von mir beschrie­bene Netz­teil für Span­nun­gen von 260V für die Vor- und 245V für die End­röhre aus­ge­legt ist. Diese Daten kor­re­spon­die­ren mit einer End­stu­fen­schal­tung, die eben­falls auf die­sen Sei­ten ver­öf­fent­licht ist. Alle die­je­ni­gen, die die ori­gi­nale PL82-Schal­tung die­ser­art mit Span­nung ver­sor­gen wol­len, fin­den in die­sem Auf­satz das not­wen­dige Rüst­zeug für eine dazu pas­sende Teile-Dimen­sio­nie­rung.

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Ein unbekannter Netztrafo

Ach­tung! Unbe­dingt Gefah­ren­hin­weis zum Umgang mit hohen Span­nun­gen beach­ten! Trenn­trafo ver­wen­den!

Aus­gangs­punkt mei­ner Über­le­gun­gen ist ein wun­der­schö­ner alter Netz­trafo von GRUNDIG mit der Bezeich­nung BV 9007-501, Kern­größe M85:

GRUNDIG-Trafo, Bild 1

Netz­trafo GRUNDIG BV 9007-501

Zu mei­nem Glück hängt noch der Span­nungs­wäh­ler an den Anschlüs­sen der Pri­mär­wick­lung, so dass ich mit deren Bestim­mung keine Pro­bleme habe:

GRUNDIG-Trafo, Bild 2

Pri­mär­span­nungs­wäh­ler

Ich ent­scheide mich, aus mei­nem Regel­trenn­trafo (der schützt mich vor der gefähr­li­chen Netz­span­nung, siehe den Gefah­ren­hin­weis) 230 Volt (ent­spricht der Netz­span­nug) auf die Anschlüsse 0 und 220 Volt der Pri­mär­wick­lung zu geben. Im Leer­lauf messe ich dar­auf­hin an den Sekun­där­wick­lun­gen 7 Volt (das ist die Heiz­span­nungs­wick­lung), 21,5 Volt (diente frü­her even­tu­ell der Erzeu­gung einer nega­ti­ven Git­ter­vor­span­nung) und 250 Volt (das ist die Anoden­span­nungs-Wick­lung). Letz­tere soll uns nun wei­ter inter­es­sie­ren.

Um die Taug­lich­keit des zu unter­su­chen­den Netz­tra­fos für Röh­ren­pro­jekte zu tes­ten, muss ich unter­su­chen, wie er sich unter Belas­tung ver­hält. Dazu baue ich eine kleine Test­schal­tung auf:

Trafotest

Test­schal­tung für den zu unter­su­chen­den Netz­trafo

Die ist schnell erklärt: der Trenn­trafo sorgt für eine gal­va­ni­sche Tren­nung der Test­schal­tung vom Licht­netz. Die 230 Volt AC an sei­nem Aus­gang spei­sen den Test­ling, und zwar an des­sen 220 V-Pri­mär­an­zap­fung (in frü­he­ren Zei­ten führte das Licht­netz nur 220 V). Ohne Belas­tung lie­fert die Sekundär­wicklung 250 Volt AC. Diese Span­nung wird gleich­ge­rich­tet und vom 220µF-Lade­elko geglät­tet. Theo­re­tisch ste­hen im Leer­lauf am Elko nun 220 V x √2 = 353,5 V an, ich messe 345 V. Dies ohne Last­wi­der­stand am Aus­gang, I = 0 mA. Die­ses Wer­te­paar trage ich in ein klei­nes Dia­gramm ein, und zwar oben links:

Trafotest Belastungskurve

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Nun beginne ich, mit Hoch­last­wi­der­stän­den den Trafo zu belas­ten. Prak­tisch geschieht das so, dass ich dem Lade­elko einen Last­wi­der­stand par­al­lel schalte und dabei die resul­tie­rende Gleich­span­nung messe, die am Last­wi­der­stand anliegt. Bei­spiel: belaste ich die Test­schal­tung mit einem Last­wi­der­stand von 5 kOhm, ergibt sich eine Span­nung von 300 Volt. Laut Ohm­schem Gesetz fließt ein Strom von 300 V / 5000 Ohm = 0,06 A oder 60 mA.

Wer’s nach­ma­chen will, beachte bitte, hoch belast­bare Wider­stände zu ver­wen­den. Um bei unse­rem Bei­spiel zu blei­ben: der 5000 Ohm-Wider­stand muss eine Leis­tung von 300 V x 0,06 A = 18 Watt in Wärme umset­zen!

Ich bas­tele aus vor­han­de­nen Hoch­last­wi­der­stän­den ver­schie­dene Werte zusam­men, setze sie in die Test­schal­tung ein und erhalte ent­spre­chende Mess­werte, die ich in mein Dia­gramm ein­setze. Die Ergeb­nisse lie­gen in einem wei­ten Bereich auf einer ange­nä­her­ten Gera­den – das war so zu erwar­ten und zeigt mir einer­seits, dass meine Mes­sun­gen plau­si­bel sind. Ande­rer­seits ist das ein Zei­chen dafür, dass der Trafo für den beab­sich­tig­ten Zweck brauch­bar ist.

Jetzt wird’s noch mal span­nend: ich will wis­sen, ob der Trafo auch einer Dau­er­be­las­tung stand­hält. Da ich nicht genü­gend hoch­be­last­bare Wider­stände in der Bas­tel­kiste habe, helfe ich mir mit einer Glüh­lampe als Last. Ich baue die fol­gende Test­schal­tung auf:

Trafotest Dauerbelastung

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Zu mei­ner Freude stelle ich fest, dass der Trafo unter die­sen Bedin­gun­gen nach 90 Minu­ten ledig­lich hand­warm gewor­den ist und sich seine Betriebs­werte nur unwe­sent­lich geän­dert haben. Ich weiß nun, dass mir der Trafo bei einem Strom von 106 mA 274 V zur Ver­fü­gung stellt, also rund 280 Volt bei 100 mA (siehe auch Dia­gramm oben). Das ist eine Leis­tung von 28 VA. Dazu kom­men 7 Volt Heiz­span­nung bei geschätz­ten 4 A Belast­bar­keit, also noch­mals 28 VA, macht zusam­men 56 VA.

Es gibt ein paar Faust­re­geln, wie­viel ein Trafo zu leis­ten imstande ist:

  • Faust­re­gel Gewicht: 40 VA je kg. Dem­nach hätte der GRUN­DIG-Trafo bei 1,8 kg Gewicht eine Leis­tung von 72 VA
  • Faust­re­gel Kern­quer­schnitt: (Quer­schnitt in cm²)². Dem­nach leis­tete der GRUN­DIG-Trafo (Paket­stärke (in cm) x Zun­gen­breite (in cm))² = (3,4 cm x 3,2 cm)² = 10,88² = 118 VA.

Nun ja, ich denke, die Wahr­heit wird irgendwo dazwi­schen lie­gen. Immer­hin habe ich nun das beru­hi­gende Gefühl, mich mit den von mir ermit­tel­ten Betrieb­wer­ten im siche­ren Bereich zu bewe­gen.

Der Trafo ist damit auf seine Taug­lich­keit für ein Röh­ren­ver­stär­ker-Netz­teil unter­sucht. Jetzt wol­len wir sehen, wie aus der Tra­fo­span­nung eine gut gesiebte Gleich­span­nung wird.

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Anforderungen an die Siebung

Wie viel Siebung soll nun sein und wie wird das berech­net? Oder prä­zi­ser aus­ge­drückt: um wie­viel müs­sen Wech­sel­span­nungs­reste auf der Ver­sor­gungs-Gleich­span­nung gedämpft wer­den? Dazu müs­sen wir uns zunächst ein­mal mit der Angabe von Span­nungs­ver­hält­nis­sen beschäf­ti­gen. Diese wer­den in Dezi­bel (dB) ange­ge­ben. Ohne das im Ein­zel­nen her­lei­ten zu wol­len, sei das Fol­gende dazu gesagt:

Ein Span­nungs­ver­hält­nis von

  • 1:1 ent­spricht 0dB
  • 10:1 ent­spricht dem Wert 20 dB
    Bei­spiel: man stelle sich vor, man schi­cke in eine black box 10Volt Span­nung hin­ein und erhalte am Aus­gang ledig­lich 1Volt, dann erfährt die Ein­gangs­span­nung eine Dämp­fung von -20dB. Umge­kehrt: schickt man eine Span­nung von 1Volt in eine black box hin­ein und erhält an deren Aus­gang 10Volt, fin­det eine Ver­stär­kung von +20dB statt.
  • 100:1 ent­spricht 40dB
  • 1000:1 ent­spricht 60dB
  • 10000:1 ent­spricht 80dB

Die Span­nungs­ver­hält­nisse ste­hen in loga­rith­mi­schem Zusam­men­hang mit dem ent­spre­chen­den dB-Wert, dabei gibt es natür­lich alle Zwi­schen­werte. (Anmer­kung: hier geht es aus­drück­lich um Span­nungsver­hält­nisse!)

Span­nungs­ver­hält­nisse wer­den mul­ti­pli­ziert, ihre dB-Werte addiert. Bei­spiel:
einem Dämp­fungs­glied mit einem Dämp­fungs­fak­tor von 100:1 wird ein glei­ches nach­ge­schal­tet. Eine am Ein­gang ein­ge­speiste Span­nung wird dann zwei Mal um den Fak­tor 100 ver­min­dert:

100:1 mal 100:1 = 10.000:1
in dB aus­ge­drückt: -(40dB plus 40dB) = -80dB


Nun zu den Anfor­de­run­gen an die Dämp­fung der Stör­si­gnale auf der Ver­sor­gungs­span­nung. Freund Seg­schnei­der schreibt dazu:

In der idea­len Welt ist der Gleich­strom unend­lich gleich, er kennt keine Wel­lig­kei­ten. Lei­der leben wir in der Wirk­lich­keit, und die ist oft alles andere als ideal. Wie groß dür­fen die Ver­un­rei­ni­gun­gen des Gleich­stroms sein, das ist die ent­schei­dende Frage. Glück­li­cher­weise ist sie leicht zu beant­wor­ten. Wir müs­sen ledig­lich das Den­ken in Röh­ren bei­sei­te­schie­ben und über auf­ge­nom­mene Musik nach­den­ken. Gute Auf­nah­men, ob nun auf CD oder auf LP, spei­chern circa 60db Signal (Anm. MiMü: nach obi­ger Auf­stel­lung ist also die größte Signal­span­nung 1000 x so groß wie die kleinste Signal­span­nung). Das wurde mehr­fach durch Mes­sun­gen bestä­tigt. Zie­hen wir dar­über hin­aus in Betracht, wie Men­schen hören (kön­nen), dann müs­sen wir berück­sich­ti­gen, dass das mensch­li­che Ohr Signale erkennt, die – sehr behut­sam for­mu­liert – gute 20db unter­halb des Rausch­pe­gels lie­gen. Auch das ist viel­fach bestä­tigt, frei­lich nicht durch Mes­sen (bis heute kön­nen die Tech­ni­ker da nichts mes­sen), son­dern durch Hören. Und da wir ja für Musik­HÖ­RER kon­stru­ie­ren, neh­men wir das ernst.

Fas­sen wir diese erste Betrach­tung zusam­men, ergibt sich fol­gen­des Bild: wür­den wir die Stör­si­gnale auf dem Gleich­strom, seien sie nun Rest­wel­lig­kei­ten oder andere Unre­gel­mä­ßig­kei­ten, um 60db + 20db = 80db ver­min­dern, dann wäre das Stör­si­gnal noch genauso laut wie das kleinste Musik­si­gnal. Die Stör­si­gnale wür­den sich mit den Musik­si­gna­len 1:1 mischen und natür­lich auch mit­ein­an­der inter­mo­du­lie­ren. Das kann nicht wün­schens­wert sein.

Wol­len wir also, dass die Stör­si­gnale – ähn­lich wie der Klirr – min­des­tens 40db lei­ser sein sol­len als das kleinste Musik­si­gnal (40db ent­spre­chen einem Klirr von 1%), kom­men wir zu der (har­ten!) For­de­rung, dass unser Netz­teil 80db plus wei­tere 40db, ins­ge­samt also 120db Dämp­fung und Wel­lig­keits­un­ter­drü­ckung leis­ten muss!

Die obige Auf­zäh­lung wei­ter­den­kend fin­den wir, dass -120dB einem Span­nungs­ver­hält­nis von 1.000.000:1 ent­spre­chen. Das bedeu­tet, das Stör­si­gnal beträgt nur noch ein Mil­li­ons­tel des größ­ten Signal­pe­gels. Man kann es auch so aus­drü­cken: wir brau­chen ein Netz­teil mit einem Sieb­fak­tor von 1.000.000 (1:1 Mil­lion). Die Dämp­fung des Stör­si­gnals beträgt dann -120dB.

Kri­ti­sche Natu­ren mögen nun ein­wen­den, hier wür­den Äpfel mit Bir­nen ver­gli­chen. Man könne doch wohl die größte vor­kom­mende Nutz­si­gnal­span­nung nicht mit der unge­dämpf­ten Wel­lig­keit der gleich­ge­rich­te­ten Anoden­span­nung ver­glei­chen. Das geht aller­dings ohne wei­te­res. Zur Erklä­rung hier noch mal eine Abbil­dung, die schon wei­ter oben zum Ein­satz kam:

Trafotest Dauerbelastung

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Dabei han­delt es sich um die Dau­er­test-Schal­tung des Netz­tra­fos. Gerade habe ich den in der Abbil­dung beschrie­be­nen Test­fall noch ein­mal her­ge­stellt. Dies­mal aber habe ich zusätz­lich mit dem Oszil­lo­skop die Wel­lig­keit der Gleich­span­nung am Lade­elko (220µF) gemes­sen. Die Gleich­span­nung selbst beträgt 275V, deren Wel­lig­keit liegt bei ledig­lich 3Vss, das ent­spricht etwa 1Veff und liegt somit durch­aus im Bereich des maxi­ma­len Ein­gangs­si­gnals der End­stufe. Die­ses eine Volt ist es auch, das in der noch zu errech­nen­den Sieb­kette um 120dB gedämpft wer­den soll.

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Gleichrichtung, RC-Glieder und Siebkette

Gleich­rich­tung

Unter­su­chen wir nun, was der Gleich­rich­ter macht und was das für die danach zu bespre­chende Sieb­kette bedeu­tet. Zunächst sehen wir uns eine Wech­sel­span­nung an, so wie sie aus der Sekundär­wicklung unse­res Netz­tra­fos kommt. Jeweils eine posi­tive (rot) und eine nega­tive (blau) Halb­welle erge­ben eine volle Schwin­gung, die Anzahl der Schwin­gun­gen pro Sekunde wird in Hertz (Hz) ange­ge­ben. Unsere Netzwech­sel­span­nung voll­führt in einer Sekunde 50 Schwin­gun­gen, hat also die Fre­quenz von 50 Hz:

Wechselspannung

Der Brü­cken­gleich­rich­ter unter­drückt nun die nega­ti­ven Halb­wel­len und führt die an den bei­den Tra­fo­an­schlüs­sen gegen­pha­sig auf­tre­ten­den posi­ti­ven Halb­wel­len zusam­men auf einen Punkt. Im Oszil­lo­gramm sieht das so aus, als wür­den die nega­ti­ven Halb­wel­len gleich­sam „nach oben geklappt“:

Brückengleichrichtung

Am Oszil­lo­gramm sieht man auch, dass die Wel­lig­keit der ent­stan­de­nen pul­sie­ren­den Gleich­span­nung die dop­pelte Fre­quenz der zuge­führ­ten Wech­sel­span­nung hat, aus der Netz­fre­quenz von 50Hz ist ein „ripple“ mit der Fre­quenz von 100Hz gewor­den. Wie wir spä­ter noch sehen wer­den, kommt uns das sehr zupass, da dies den Auf­wand bei der Siebung der Gleich­span­nung für unse­ren Röh­ren­ver­stär­ker „hal­biert“.

RC-Glie­der und Sieb­kette

Ich habe mich bei mei­nen Netz­tei­len für den Ein­satz von RC-Glie­dern ent­schie­den. Ein RC-Glied sieht fol­gen­der­ma­ßen aus:

RC-Glied

Es han­delt sich hier­bei um ein Tief­pass­fil­ter, d.h. es lässt bevor­zugt Span­nun­gen von tie­fer Fre­quenz durch und dämpft Span­nun­gen höhe­rer Fre­quenz. Gleich­span­nun­gen wer­den unver­än­dert durch­ge­las­sen. Wie stark die Span­nung einer bestimm­ten Fre­quenz bedämpft wird, lässt sich in einer For­mel fas­sen. Es gilt:

S = 2π * f * R * C

S = Sieb­fak­tor
π = Kreis­zahl = 3,14
f = Fre­quenz (in Hz)
R = Wider­stand (in Ω)
C = Kapa­zi­tät (in F)

Bei­spiel: unser zu dämp­fen­der Wech­sel­span­nungs­an­teil hat eine Fre­quenz von 100Hz, der Wider­stand sei 330Ω und der Kon­den­sa­tor 470µF. Dann beträgt der Sieb­fak­tor

S = 2 * 3,14 * 100Hz * 330Ω * 0,00047 F = 97,4 (ohne Ein­heit!)

Der Sieb­fak­tor S ist gleich dem Span­nungs­ver­hält­nis der Wech­sel­span­nung am Ein­gang des RC-Glieds zur Wech­sel­span­nung an des­sen Aus­gang. In unse­rem Bei­spiel ergibt sich ein Span­nungs­ver­hält­nis von 97,4:1. Das ent­spricht einer Dämp­fung von -39,8dB. Das ist noch weit ent­fernt von den wei­ter oben gefor­der­ten 120dB für die Ver­sor­gung der End­röhre. Was tun?

Glü­ckes Geschick, tirili! RC-Glie­der las­sen sich hin­ter­ein­an­der schal­ten! Wir rech­nen mal: zwei der eben berech­ne­ten RC-Glie­der hin­ter­ein­an­der haben bei 100Hz einen Sieb­fak­tor von 97,4 * 97,4 = 9487. Nun haben wir ein Span­nungs­ver­hält­nis von 9487:1 ent­spre­chend einer Dämp­fung von -79,6dB – das kommt unse­rem Ziel schon näher!

Da wir wis­sen, dass man in dB aus­ge­drückte Span­nungs­ver­hält­nisse addiert, fügen wir unse­rer Sieb­kette (eine sol­che tüf­teln wir hier gerade zusam­men!) ein wei­te­res RC-Glied hinzu, indem wir noch ein­mal -39,8db hin­zu­zäh­len und kom­men auf ins­ge­samt -119,4dB Dämp­fung. Hey – bei­nah Punkt­lan­dung! Das könnte man nun schon so las­sen. Es gibt den ein oder ande­ren Grund, unsere Sieb­kette noch zu modi­fi­zie­ren. Davon spä­ter mehr …

Anmer­kung: wei­ter oben wurde behaup­tet, dass das der Gleich­span­nung auf­ge­prägte Stör­si­gnal wegen sei­ner gegen­über der 50Hz-Netz­span­nung ver­dop­pel­ten Fre­quenz von 100Hz halb so viel Auf­wand bei der Siebung ver­ur­sa­che. Dass das stimmt, sehen wir, wenn wir in unsere Glei­chung bei sonst unver­än­der­ten Wer­ten als Fre­quenz 50Hz ein­set­zen:

S = 2 * 3,14 * 50Hz * 330Ω * 0,00047 F = 48,7 (ohne Ein­heit!)

Tat­säch­lich ist der Sieb­fak­tor nur noch halb so groß!

Wich­ti­ger Link zu die­sem Abschnitt: der dB-Rech­ner auf den Sei­ten von Seng­piel Audio!

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Spannungsabfall in der Siebkette

Wir haben gerade eine Sieb­kette gebil­det aus drei Wider­stän­den von je 330Ω und drei Kon­den­sa­to­ren von je 470µF. Das Netz­teil sieht nun inklu­sive Gleich­rich­ter und Ladelko so aus:

Beispielnetzteil

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Wir stel­len uns jetzt vor, die zu ver­sor­gende End­röhre ließe einen Strom von 44mA flie­ßen. O je, der fließt dann ja auch durch die in Reihe lie­gen­den Längs­wi­der­stände in der Sieb­kette und ruft dort einen Span­nungs­ab­fall her­vor! Der berech­net sich zu

U = R * I = 990Ω * 0,044A = 43,56V

Nur mal ange­nom­men, die Ein­spei­se­span­nung in den End­röh­ren­kreis soll 250V betra­gen. Dann muss der Trafo in der Lage sein, nach Gleich­rich­tung am Lade­elko eine Gleich­span­nung von 250 + 43,6 = 293,6V, also rund 295V zur Ver­fü­gung zu stel­len! Und für den Trafo kommt es noch dicker: Es gibt ja noch einen zwei­ten Ver­stär­ker­ka­nal und je Kanal eine Vor­stu­fen­röhre und jede Röhre bekommt eine eigene Sieb­kette. Bei einem Vor­röh­ren­strom von sagen wir 4mA und dem der End­röhre von 44mA kom­men wir auf eine Gesamt-Strom­auf­nahme einer gedach­ten Ste­reo-End­stufe von 2 * 4mA + 2 * 44mA = 96mA. Die Anfor­de­rung an den Trafo lau­tet also, bei einer Strom­auf­nahme der End­stufe von 96mA am Lade­elko um die 295­Volt zu lie­fern. Das ist schon was!

Kleine gars­tige Bemer­kung: wir ahnen, dass es kei­nen Sinn macht, eine End­stufe um einen zufäl­lig vor­han­de­nen Netz­trafo herum zu stri­cken. Umge­kehrt wird ein Schuh draus: die End­stufe gibt vor, was der Trafo zu leis­ten hat! Das macht in der heu­ti­gen Zeit, in der es kaum noch auf Bast­ler ein­ge­stellte Tra­fo­wi­ckel­be­triebe gibt, den Selbst­bau von Röh­renend­stu­fen nicht gerade leich­ter. Wohl dem, der über eine gut gefüllte Bas­tel­kiste ver­fügt – viel­leicht schlum­mert ja dort der pas­sende Trafo …

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Wie viele RC-Glieder kann man sinnvoll hintereinander schalten?

Man stelle sich drei hin­ter­ein­an­der geschal­tete RC-Glie­der vor, die bei der Fre­quenz 100Hz einen Sieb­fak­tor von je 100 haben. Der gesamte Sieb­fak­tor beträgt 100*100*100 = 1.000.000. Bei einer Fre­quenz von 50Hz beträgt der Sieb­fak­tor des ein­zel­nen RC-Glieds ledig­lich noch 50, der gesamte Sieb­fak­tor ist 50*50*50 = 125.000. Das ist nur noch ein Ach­tel des Werts bei 100Hz.

Eine Sieb­kette mit dem Sieb­fak­tor 1.000.000 bei 100Hz kann man natür­lich auch mit vier RC-Glie­dern auf­bauen, die jeweils einen Sieb­fak­tor von ca. 32 haben: 32*32*32*32 = 1.048.576. Bei 50Hz sinkt der Sieb­fak­tor des ein­zel­nen RC-Glieds auf 16. 16*16*16*16 = 65.536. Das ist ein Ver­hält­nis von 1.048.576 / 65.536 = 16, also ledig­lich noch ein Sechs­zehn­tel des Werts bei 100Hz.

Es ist also bes­ser, sich auf drei RC-Glie­der zu beschrän­ken, um die Dämp­fung im Bereich der tie­fe­ren Fre­quen­zen nicht zu gering wer­den zu las­sen.

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Resonanzverhältnisse

SerienresonanzBetrach­ten wir ein­mal den neben­ste­hen­den Schalt­plan­aus­zug. Er zeigt eine als Tri­ode beschal­tete End­pen­tode, den Aus­gangs­trafo und die Anbin­dung an das Netz­teil (unten). Und wenn man mal genauer hin­guckt – auch ich musste mit der Nase drauf gesto­ßen wer­den – erkennt man unschwer einen Seri­en­schwing­kreis (rot ein­ge­rahmt), gebil­det aus dem letz­ten Kon­den­sa­tor des Netz­teils (470µF) und der Induk­ti­vi­tät der Pri­mär­wick­lung des Aus­gangs­über­tra­gers (hier ange­nom­men mit 25H, was ein für gän­gige Tra­fos durch­aus plau­si­bler Wert ist). Die Reso­nanz­fre­quenz die­ses Schwing­krei­ses berech­net sich zu:

Resonanzformel

Ach, ich bin ein fau­ler Kerl und mag mich nicht mit irgend­wel­chen kom­pli­ziert zu bedie­nen­den Pro­gram­men zur Dar­stel­lung von mathe­ma­ti­schen Glei­chun­gen befas­sen. Man ver­zeihe mir also meine Sau­klaue, wenn ich nun rechne:

Resonanzfrequenz

Was pas­siert da? Nun, das vom Ver­stär­ker über­tra­gene Fre­quenz­ge­misch gibt unse­rem Reso­na­tor mal hier, mal da einen pas­sen­den Stups – fast so wie ein Vater, der sein Kind auf der Schau­kel anschiebt. Um mal bei der Schau­kel­ana­lo­gie zu blei­ben: wenn nicht nur der Vater anschiebt, son­dern auch noch die Mut­ter, die gegen­über steht, viel­leicht auch noch Onkel und Tante, die gele­gent­lich im pas­sen­den Moment von der Seite ein biss­chen nach­hel­fen, dann bleibt die Schau­kel in Bewe­gung. Die Erwach­se­nen kön­nen die Schau­kel aber anstup­sen, so oft sie wol­len: die Schwin­gungs­dauer der Schau­kel bleibt kon­stant, genau wie die Reso­nanz­fre­quenz von Aus­gangs­trafo und Netz­tei­lelko in dem oben beschrie­be­nen Bei­spiel. Also: es ent­steht eine Schwin­gung mit der Fre­quenz 1,468Hz.

Die liegt aber weit unter­halb des Über­tra­gungs­be­reichs. Wel­chen Scha­den rich­tet die über­haupt an?

Mal sehen, was Seg­schnei­der dazu sagt:

„Was ist Inter­mo­du­la­tion? Die Mess­ge­rä­te­firma Bruel & Kjaer hat’s 1977 klar gemacht mit fol­gen­dem Bei­spiel. Ein Ton­arm habe eine Reso­nanz von 7Hz (also unter­halb des Über­tra­gungs­be­reichs!) und ich taste per Mess­schall­platte nun 1kHz ab, dann ent­ste­hen 993Hz, 1kHz und 1007Hz (und die sind NICHT unter­halb der Hör­schwelle) – der erste und letzte Wert sind um so klei­ner, je klei­ner die Güte des Schwing­krei­ses ist.“

Das ist wohl ein­zu­se­hen: in unse­rem berech­ne­ten Fall heißt das, dass aus einem 1kHz-Signal drei Signale wer­den: das recht starke 1kHz-Signal selbst, ein unte­res Sei­ten­band von 998,5 Hz und das obere Sei­ten­band von 1001,5 Hz.

Noch was Neues, die Güte des Schwing­krei­ses! Was ist das? Die Güte Q ist ein Maß dafür, wie stark die reso­nan­ten Schwin­gun­gen im Kreis selbst gedämpft wer­den. Der Ver­ur­sa­cher der Dämp­fung in unse­rem Bei­spiel-Schwing­kreis ist schnell aus­ge­macht: es ist der bis­her noch nicht erwähnte Kup­fer­wi­der­stand der Pri­mär­wick­lung des Aus­gangs­tra­fos. Wir bedie­nen uns in der ein­schlä­gi­gen Lite­ra­tur und fin­den diese For­mel:

Güteformel

Wir set­zen die uns bekann­ten Werte ein: L=25H, C=470µF und R=550 Ohm und erhal­ten:

Güte

Q=0,419 ist für unsere Sache ein guter Wert, wie wir gleich sehen wer­den. In der Phy­sik gibt es abhän­gig von der Güte drei Fälle:

  • die Güte ist grö­ßer als 0,5: die Dämp­fung im schwin­gungs­fä­hi­gen Sys­tem ist so schwach, dass sich Schwin­gun­gen aus­bil­den kön­nen, die­ser Sta­tus nennt sich Schwing­fall
  • die Güte ist gleich 0,5: die Dämp­fung im schwin­gungs­fä­hi­gen Sys­tem ist so groß, dass gerade keine Schwin­gun­gen mehr auf­tre­ten, man nennt das den ape­ri­odi­schen Grenz­fall
  • die Güte ist klei­ner als 0,5: die Dämp­fung im schwin­gungs­fä­hi­gen Sys­tem ist so stark, dass keine Schwin­gun­gen auf­tre­ten kön­nen, das ist der Kriech­fall oder auch ein Fall von über­kri­ti­scher Dämp­fung

Na prima, unsere Kreis­güte beträgt ledig­lich 0,419 und liegt damit unter 0,5. Das mini­miert natür­lich auch die uner­wünsch­ten Inter­mo­du­la­ti­ons­pro­dukte!

Seg­schnei­der hat’s schon gewusst. Hätte ich’s mal gleich gele­sen:

Seg­schnei­der:

„Wenn wir also ca 1,5Hz als Reso­nanz haben, sind wir schon bes­ser dran als mit zum Bei­spiel 10Hz, denn bei 10Hz wür­den wir bei einer Nutz­fre­quenz von 20Hz bei­spiels­weise 10Hz und 30Hz als Sei­ten­bän­der bekom­men, das gäbe schlimme Auf­schau­ke­lun­gen! Und noch bes­ser sind wir mit der Güte von 0,419 dran, denn all­ge­mein gilt ein Wert von 0,5 als die Grenze des Kri­ti­schen, dar­un­ter ist anzu­stre­ben und sehr gut.“

Na also – geht doch!

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Leistungsanpassung

Für die fol­gen­den Über­le­gun­gen soll eine als Tri­ode geschal­tete End­pen­tode PL82 als Bei­spiel die­nen. Wie den Röh­ren­kenn­li­nien (nach Tom Schlan­gen) zu ent­neh­men ist, fließt bei einer Anoden­span­nung von 205 Volt und einer Git­ter­vor­span­nung von -16Volt ein Anoden­strom von 44mA durch die Röhre. Ihr Gleich­strom-Innen­wi­der­stand bemisst sich dem­zu­folge unter die­sen Bedin­gun­gen zu R=U/I = 205V/0,044A = 4659 Ohm.

Ebenso wich­tig für uns: der Wech­sel­strom-Innen­wi­der­stand der Röhre. Ver­än­dert man bei gleich­blei­ben­der Git­ter­vor­span­nung die Anoden­span­nung, so ändert sich auch der Anoden­strom. Der Quo­ti­ent der Ände­rung der Anoden­span­nung und der Ände­rung des Anoden­stroms ergibt den Wech­sel­strom­wi­der­stand der Röhre. Bei der PL82 liegt die­ser zwi­schen 900 und 1000 Ohm. Man kann ihn den Röh­ren­kenn­li­nien ent­neh­men. Oder man rech­net ihn aus, wenn man die Ver­stär­kung der Röhre und ihre Steil­heit kennt. Das sind aber eben­falls Werte, die man den Kenn­li­nien ent­nimmt.

Über­haupt darf man eine Röhre nicht mit einem rein ohm­schen Wider­stand ver­glei­chen, des­sen Ver­hal­ten kom­plett bere­chen­bar wäre. Eine Röhre lie­fert ein ledig­lich in Gren­zen und nur auf einen jewei­li­gen Betriebs­fall hin bere­chen­ba­res, im Gan­zen aber nicht­li­nea­res Ver­hal­ten, das von Span­nun­gen und Strö­men, vor allem aber von ihren gekrümm­ten Kenn­li­nien bestimmt ist.

Es ist sinn­voll, die Summe der Längs­wi­der­stände in der Sieb­kette des Netz­teils in etwa nach dem Wert des Wech­sel­strom­wi­der­stan­des der Röhre zu bemes­sen.

Las­sen wir wie­der Seg­schnei­der zu Wort kom­men:

(…) es geht ja wesent­lich darum, sicher zu stel­len, dass sich das Netz­teil und die Röhre in der Nähe des Arbeits­punk­tes gleich ver­hal­ten, dass ihre poten­ti­el­len Ver­än­de­run­gen gleich sind. Das ist Anpas­sung. (…)

(…) es geht nur um die Über­ein­stim­mung im elek­tri­schen Ver­hal­ten von Röhre – gege­ben durch das Röh­ren­dia­gramm – und Netz­teil – gege­ben durch des­sen Längs­wi­der­stand.

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Siebkette der Vorröhre

Im zwei­ten Teil der Bei­trags­se­rie über das Netz­teil fan­den wir, dass unser Trafo bei einer Belas­tung von 96mA am Lade­elko eine Gleich­span­nung von 295­Volt zur Ver­fü­gung stel­len muss. 96mA sind die Summe von 2x44mA für die zwei End­röh­ren und 2x4mA für die Vor­röh­ren unse­rer End­stufe. Eine Vor­röhre zieht also 4mA und das bei einer Span­nung von 260­Volt. 295V-260V=35V – das ist der Span­nungs­über­hang, der bei einem Strom von 4mA an den Längs­wi­der­stän­den einer Vor­röh­ren-Sieb­kette abfällt. Der Gesamt­wi­der­stand berech­net sich zu R=U/I = 35V/0,004A = 8750 Ohm. Auf drei Wider­stände ver­teilt könnte das so aus­se­hen: 2,7kOhm + 2,7kOhm + 3,3kOhm = 8,7kOhm (die feh­len­den 50 Ohm lie­gen im Bereich der Fer­ti­gungs­to­le­ran­zen der Wider­stände).

Ein RC-Glied mit einem Wider­stand von 2,7kOhm und einem Elek­tro­lyt­kon­den­sa­tor von 100µF hat einen Sieb­fak­tor von 170. Ein glei­ches RC-Glied nach­ge­schal­tet ergibt zusam­men mit dem ers­ten einen Sieb­fak­tor von 28.900. Das dritte RC-Glied soll nun so bemes­sen sein, dass sich zusam­men mit den bei­den ande­ren ein Sieb­fak­tor von bes­ser 10.000.000 ergibt, das ent­sprä­che dann einer Dämp­fung von -140dB oder bes­ser. Wir rech­nen: 10.000.000/28.900 = 346, das muss der Sieb­fak­tor des letz­ten RC-Glieds sein. Fre­quenz (100Hz) und Wider­stand (3,3kOhm) ste­hen fest, also lösen wir die schon bekannte Sieb­fak­tor-Glei­chung zum Kon­den­sa­tor hin auf:

C = 346/(2*3,14*100*3300) = 346/2.072.400 = 0,000167F = 167µF

Wir neh­men einen Kon­den­sa­tor von 220µF, der nun tat­säch­lich zu einem Sieb­fak­tor von 456 führt, zusam­men mit den bei­den ers­ten RC-Glie­dern ergibt sich ein Sieb­fak­tor von 13.178.400, was einer Dämp­fung von -142dB ent­spricht.

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Praktische Ausführung eines Netzteils

Vorbemerkung:

Die nach­fol­gend gemach­ten Anga­ben bezie­hen sich einer­seits auf eine zu ver­sor­gende End­stu­fen­schal­tung mit kon­kre­ten Betriebs­wer­ten, ande­rer­seits aber auf die Ver­wen­dung eines Netz­tra­fos, der „zufäl­lig“ in der Bas­tel­kiste lag und für geeig­net befun­den wurde. Aller­dings ist er in die­ser Aus­füh­rung mög­li­cher­weise schwer beschaff­bar, da es sich um ein Jahr­zehnte altes, nicht mehr pro­du­zier­tes Aus­bau­teil han­delt (GRUNDIG BV 9007-501, Kern­größe M85). Mit den in die­ser Arti­kel­se­rie gemach­ten Hin­wei­sen sollte es dem erfah­re­nen Bast­ler aber mög­lich sein, einen pas­sen­den Trans­for­ma­tor auf­zu­trei­ben, zu tes­ten und maß­ge­schnei­derte Sieb­ket­ten zu berech­nen, die alle hier auf­ge­stell­ten For­de­run­gen erfül­len.

Die fol­gen­den Anga­ben der Span­nungs- und Wider­stands­werte wei­chen von den in der bis­he­ri­gen Beschrei­bung ver­wen­de­ten im Detail ab. Das liegt daran, dass für die prak­ti­sche Aus­füh­rung des Netz­teils der Gesamt-Längs­wi­der­stand der RC-Sieb­kette mit 750Ω statt 990Ω bemes­sen wurde.


Jetzt soll es prak­tisch wer­den. Ich plane den Bau einer End­stufe, die eine Wei­ter­ent­wick­lung des PL82-Kon­zep­tes von Dr. Götz Wilim­zig dar­stellt. Dafür brau­che ich ein Netz­teil, das die fol­gen­den Bedin­gun­gen erfüllt:

Ver­sor­gung End­röhre PL82: 245V, 44mA, Dämp­fung von Stör­si­gna­len: -110dB
Längs­wi­der­stand der RC-Sieb­kette einer End­röhre: +/- 30% des Wech­sel­strom-Innen­wi­der­stan­des der als Tri­ode geschal­te­ten PL82 von 970Ω

Ver­sor­gung Vor­röhre PC86: 260V, 4mA, Dämp­fung von Stör­si­gna­len: -140db

Ins­ge­samt zie­hen die bei­den Ver­stär­ker­ka­näle einen Strom von 2*44mA + 2*4mA = 96mA. Der zur Ver­fü­gung ste­hende Netz­trans­for­ma­tor lie­fert bei der genann­ten Belas­tung nach Brü­cken­gleich­rich­tung an einem Lade­elko von 220µF eine Gleich­span­nung von 278V.

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Siebkette einer Endröhre

Am Lade­elko ste­hen 278V zur Ver­fü­gung, die End­röhre braucht eine Span­nung von 245V. Der Span­nungs­über­hang beträgt also 33V. Dar­aus bemisst sich der Längs­wi­der­stand der Sieb­kette zu R = U/I = 33V/0,044A = 750Ω und liegt somit inner­halb der oben gefor­der­ten Tole­ranz. Die 750Ω teile ich auf drei RC-Glie­der wie folgt auf:

150Ω/220µF ->Sieb­fak­tor 20,72
270Ω/470µF ->Sieb­fak­tor 79,69
330Ω/940µF ->Sieb­fak­tor 194,8

Gesamt­sieb­fak­tor: 321.649, das ent­spricht einer Dämp­fung von -110,148dB

Reso­nanz­ver­hal­ten

Der Seri­en­schwing­kreis aus dem letz­ten Kon­den­sa­tor (470µF||470µF = 940µF) und der (hier vor­läu­fig mit 25H ange­nom­me­nen) Induk­ti­vi­tät des Aus­gangs­über­tra­gers hat eine Reso­nanz­fre­quenz von 1,038Hz. Die Kreis­güte liegt mit 0,297 deut­lich unter 0,5.

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Siebkette einer Vorröhre

Am Lade­elko ste­hen 278V zur Ver­fü­gung, die Vor­röhre braucht eine Span­nung von 260V. Der Span­nungs­über­hang beträgt also 18V. Dar­aus bemisst sich der Längs­wi­der­stand der Sieb­kette zu R = U/I = 18V/0,004A = 4500Ω. Die 4500Ω teile ich auf drei RC-Glie­der wie folgt auf:

1500Ω/220µF ->Sieb­fak­tor 207
1500Ω/220µF ->Sieb­fak­tor 207
1500Ω/330µF ->Sieb­fak­tor 311

Gesamt­sieb­fak­tor: 13.326.039, das ent­spricht einer Dämp­fung von -142,494dB.

Aus all dem ergibt sich fol­gen­der

Schaltplan

Schaltplan Netzteil PL82-Endstufe

Schalt­plan Netz­teil PL82-End­stufe – zum Ver­grö­ßern ankli­cken

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Platinen

Für die Sieb­ket­ten und das Gleichrichter/Ladeelko-Modul wur­den Pla­ti­nen ent­wor­fen, die hier als hoch­auf­ge­löste PDF-Dateien her­un­ter gela­den wer­den kön­nen. Sie sind inso­fern uni­ver­sell, als sie durch ver­än­derte Längs­wi­der­stände auch für andere End­stu­fen und Netz­trans­for­ma­to­ren anpass­bar sind. Die PDFs soll­ten jeweils 1:1 (also unska­liert!) auf zwei Over­head­fo­lien aus­ge­druckt wer­den, die pass­ge­nau über­ein­an­der (um eine höhere Dichte zu erzie­len) auf foto­be­schich­te­tes Pla­ti­nen­ma­te­riel gelegt und durch­be­lich­tet wer­den. Das Ver­fah­ren wird bekannt sein.

Hier die Bestü­ckung der Gleichrichter/Ladeelko-Einheit:

Bestückung Gleichrichter/Ladeelko-Platine

Bestü­ckung Gleichrichter/Ladeelko-Platine

Und so wer­den die bei­den Sieb­ket­ten-Pla­ti­nen bestückt:

Bestückung Siebketten-Platine

Bestü­ckung Sieb­ket­ten-Pla­tine

Down­loads

Pla­ti­nen­film Gleichrichter/Ladeelko-Einheit: down­load
Pla­ti­nen­film Sieb­ket­ten: down­load

So sehen die Pla­ti­nen aus:

Platinen für Netzteil PL82

Pla­ti­nen für Netz­teil PL82, zum Ver­grö­ßern ankli­cken

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Ausblick

Damit ist der kleine Auf­satz zum Thema „Röh­ren­ver­stär­ker-Netz­teil mit RC-Siebung“ abge­schlos­sen. Inzwi­schen gibt es auch Bei­träge zum Auf­bau einer das bekannte Kon­zept von Dr. Götz Wilim­zig fort­schrei­ben­den PL82-End­stufe. Stay tuned!

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