Burkhard Kainka

Röhren-Projekte von 6 bis 60 Volt

Elekor-Verlag 2003

Fragen, Antworten, Tipps und Zusatzinfos zum Buch

November 2015: Wieder erhältlich als PDF: www.elektor.de/roehren-projekte-von-6-bis-60-v-pdf


Vorwort

Röhren sind wieder "in". High-Tech-Audiogeräte wie MP3-Player, CD-Player oder der digitale Rundfunk kommen erst richtig zur Geltung, wenn ein Röhrenverstärker den perfekten Sound veredelt. Um am Ausgang der PC-Soundkarte kann statt IC-bestückter Aktivboxen auch ein selbst gebautes Röhrengerät arbeiten. Der Einbau eigener Röhrenschaltungen in den PC selbst bringt den individuellen Geschmack erst richtig zur Geltung. Wenn statt einer LED das geheimnisvolle Glühen eine Röhrenkathode die Betriebsbereitschaft signalisiert, dann hebt sich das Gerät deutlich aus der Masse ab.

Wer sich als Einsteiger an die Arbeit mit Röhren wagt, stolpert vielleicht erst einmal über die üblicherweise verwendeten hohen Spannungen. Bis zu 250 Volt in einem Eigenbauprojekt? Hohe Spannungen können schnell ungemütlich werden. Abgesehen von der Gefährdung für Leib und Leben ist auch die Gefahr für elektronische Bauelemente nicht zu unterschätzen. Ein kleiner Fehler reicht, und teure Technik verabschiedet sich für immer. Aber hohe Spannungen müssen nicht sein, denn Röhren kommen auch mit viel weniger aus. Was bisher oft übersehen wurde, wird hier zum Prinzip erhoben: Röhrenschaltungen mit ungefährlichen Spannungen. Eine Röhre, die ursprünglich für eine Anodenspannung von 600 Volt entwickelt wurde, kann durchaus auch bei 12 V arbeiten.

Dieses Buch richtet sich an Leser, die technischen Abenteuern gegenüber aufgeschlossen sind. Teilweise handelt es sich um eine Reise zurück in die Geschichte der Röhrentechnik. Mehr als 50 Jahre alte Konzepte werden in einem neuen Gewand wieder entdeckt. Teilweise aber werden alte Röhren völlig neuartig eingesetzt. High-Tech und Tradition treffen hier aufeinander.

Ich wünsche allen Lesern viel Freude mit alten und neuen Röhren!

Burkhard Kainka


Inhalt

1 Einleitung 5

2 Röhrengrundlagen 9
2.1 Aufbau und Funktion von Röhren 9
2.2 Röhrentypen 16
2.3 Schaltungstechnik 17
2.4 Neue und gebrauchte Röhren 20

3 Röhrendaten 23
3.1 Die Niederspannungsröhre ECC86 23
3.2 Doppeltrioden 25
3.3 Steile HF-Trioden 28
3.4 Die Niederspannungsröhre EF98 31
3.5 HF-Pentoden 32
3.6 Batterieröhren 34
3.7 Leistungspentoden 39
3.8 Mehrfachröhren 42

4 NF-Verstärker mit Trioden 49
4.1 Der erste Test: Heizspannung 49
4.2 Gitterstrom 50
4.3 Ein Kopfhörerverstärker 51
4.4 Ausgangsübertrager 52
4.5 Die Kennlinie 54
4.6 Positive Gittervorspannung 56
4.7 Einsatz von Senderöhren 57
4.8 Mehrstufige Verstärker 61

5 Stereo-Kopfhörerverstärker mit EL84 63
5.1 Überlegungen zum Klangbild 63
5.2 Schaltungstechnik 64
5.3 Kennlinien 67
5.4 Der Ausgangsübertrager 69
5.5 Kondesatorkopplung 73
5.6 Aufbau 74

6 Klasse-A-Leistungsverstärker 76
6.1 Kopfhörerverstärker mit EL95 76
6.2 Einsatz von Batterieröhren 78
6.3 NF-Universalverstärker mit ECL80 79
6.4 Leistungsverstärker mit PL504 81
6.5 RC-Kopplung 83
6.6 PPP-Verstärker 84
6.7 Tetroden-Verzerrungen 87
6.8 Leistungsendstufe mit zwei EL504 92
6.9 Röhrengleichrichter 94

7 Gegentaktverstärker 97
7.1 Gegentaktstufe mit ECC85 97
7.2 Zwei mal ELC82 99
7.3 Hybridverstärker mit EL504 100
7.4 Gegentaktendstufe mit EL34 102

8 Detektorradios mit Röhren 105
8.1 Die Doppeldiode EAA91 105
8.2 Ein zweistufiger Empfänger 106
8.3 Antennenkopplung 107

9 Das Audion 110
9.1 Trioden-Audion ohne Rückkopplung 110
9.2 Audion mit ECC81 und Rückkopplung 111
9.3 Trioden-Audion mit nur 4,5 V 114
9.4 Ein Pentoden-Audion 116
9.5 Ein 0V2-Empfänger mit EF80 und ECL80 118
9.6 Audion mit Batterieröhre DF91 119
9.7 Ein Zweikreiser 122
9.8 Ein UKW-Pendelaudion 123
9.9 Pendelschwingungen bei 1 MHz 127

10 HF-Oszillatoren 130
10.1 Grundschaltungen 130
10.2 Mittelwellenoszillator mit geringer Spannung 133
10.2 UKW-Oszillator in Gitterbasisschaltung 135
10.3 Ein Quarzoszillator 137
10.4 Ein Tetrodenoszillator 138
10.5 Amplitudenmodulation 139
10.6 Ein Teslagenerator 141

11 Ein Röhren-Superhet 144
11.1 Die Schaltung 144
11.2 Aufbau und Abgleich 146
11.3 Schaltungserweiterungen 147

12 Messtechnik 149
12.1 Röhrenvoltmeter 149
12.2 Elektrometer 150
12.3 Isolationsmessung 151
12.4 Das Grid-Dipmeter 152
12.5 Eichmarkengeber 154
12.6 Ein Synchrondetektor 158

Anhang 160
Sockelschaltbilder aller verwendeten Röhren 160


1. Einleitung

Es gibt bereits zahlreiche Bücher über den Bau von HiFi- und High-End-Röhrenverstärkern. Das Ziel ist klar, man möchte mit eigenen Verstärkern den besten Klang erreichen und mit eigenen Konstruktionen der modernen Halbleitertechnik Paroli bieten. Es werden oft historische Schaltungen mit geringen Änderungen neu aufgebaut. Fragen nach dem optimalen Ausgangsübertrager, der besten Röhre und den besten Kondensatoren stehen im Mittelpunkt. Meist geht es um Projekte, die viel Geld kosten und hohe Anforderungen an das technische Geschick stellen. Ein optimaler Verstärker soll nicht nur gut klingen, sondern auch noch gut aussehen.

Dieses Buch ist anders. Es will keine High-End-Produkte vorstellen. Hier geht es mehr darum, Grundlagen zu vermitteln und einfache, ungefährliche Experimente durchzuführen. Sicherlich können einfache Röhrenschaltungen die "Einstiegsdroge" in den ernsthaften Verstärkerbau sein. Es ist ja in jedem Fall ein Vorteil, wenn man die Besonderheiten der Röhrentechnik zuerst an einfachen Schaltungen kennen gelernt hat. Die Grundlagen der Röhren-Schaltungstechnik sind hilfreich, wenn es um High-End-Anwendungen geht, seinen es Lautsprecherverstärker oder große HF-Endstufen, wie sie im Amateurfunk immer noch eingesetzt werden.

Der entscheidende Ansatz ist hier, möglichst kleine Betriebsspannungen zu verwenden. Damit werden einerseits Probleme der aufwendigen Netzteile umgangen, und andererseits Sicherheitsprobleme vermieden. Spannungen bis 42 V gelten als ungefährlich und erfordern keine besonderen Sicherheitsmaßnahmen. Wenn in einzelnen Fällen einmal Spannungen bis zu 60 V verwendet werden, sollte man zwar vorsichtiger sein, Lebensgefahr besteht aber nicht. Auch Halbleiterverstärker arbeiten oft mit Spannungen bis zu 80 V und mehr. Eine echte Gefahr für Leib und Leben besteht aber erst ab etwa 100 V. Immer wenn Netztransformatoren eingesetzt werden, erfordert der Netzanschluss mit 230 V besondere Vorsicht. Oft reichen jedoch einfache Steckernetzteile mit 12 V oder 24 V. Einige Versuche kommen sogar mit Batterien aus.

Der entscheidende Vorteil geringer Versorgungsspannungen ist, dass man ganz entspannt arbeiten und experimentieren kann, so wie man es von der Halbleitertechnik gewohnt ist. Ein Nachteil ist, dass Röhren bei verringerten Spannungen nicht ihre volle Leistung erreichen. Man arbeitet bei verringerten Anodenströmen und mit geringerer Verstärkung. In einigen Fällen gehen Schaltungsvorschläge daher bis an die selbst gewählte Grenze von 60 V heran. Die meisten Schaltungen sind aber auch mit kleineren Spannungen einsetzbar. Kaum eine der zahlreichen Röhrenschaltungen vergangener Zeiten benötigt unbedingt die hohen Spannungen, bei denen Röhren üblicherweise eingesetzt wurden. Fast alle Grundprinzipien und Schaltungstypen lassen sich auch bei ungefährlichen Spannungen erproben. Wer allerdings aus einer Röhre das Letzte an Leistung herausholen will, kommt an hohen Spannungen nicht vorbei. Es kann aber ein entscheidender Vorteil sein, wenn man zunächst einmal experimentell mit Röhren arbeitet und dann erst mit dem Bau eines echten Leistungsverstärkers beginnt. Und trotzdem sollte niemand unterschätzen, welche Klangerlebnisse bereits mit einer Spannung von 40-60 V zu erreichen sind.

Zu dem großen Thema NF-Verstärker kommt hier noch die HF-Technik und die Messtechnik. Gerade der Bau einfacher Röhrenempfänger stellt einen ganz besonderen Reiz dar. Man fühlt sich zurück versetzt in vergangene Zeiten, teilweise bis in die Anfangszeit der Rundfunktechnik. Ein Röhrenaudion ist eine einfache Schaltung im Vergleich zu modernen Empfängern in Halbleitertechnik. Und trotzdem ist es erstaunlich, welche Empfangsleistungen man mit einfachsten Mitteln erzielen kann. Viele Themen wie Stabilität, Antennenanpassung, die Dimensionierung von Schwingkreisen, Dämpfung und Entdämpfung, Bandbreite und Demodulation sind grundlegend für die gesamte HF-Technik. Röhren stellen dabei ein ideales Studienobjekt dar. Denn zahlreiche Feinheiten, die inzwischen oft in Vergessenheit geraten sind, wollen beachtet werden.

Themen wie HF-Oszillatoren oder Messtechnik scheinen auf den ersten Blick in einem modernen Elektronikbuch mit Röhren deplaciert. Denn es gibt kaum noch Bereiche, in denen die Röhre echte Vorteile gegenüber Halbleitern bietet. Aber abgesehen davon, dass es einfach Spaß macht, solche Schaltungen auch einmal mit einer Röhre aufzubauen, hat die Beschäftigung mit diesen Themen zahlreiche Nebeneffekte. Wenn z.B. ein Verstärker zu wilden HF-Schwingungen neigt, macht sich dies nur mit unangenehmen Verzerrungen bemerkbar. Was aber wirklich passiert, geht oft nicht direkt aus dem Schaltbild hervor. Man muss die grundlegenden Oszillatorschaltungen verstehen, um mögliche parasitäre Oszillatoren zu erkennen. Ebenso ist es mit Nebeneffekten, die durch einsetzenden Gitterstrom oder durch die Stromverteilung zwischen Schirmgitter und Anode entstehen. Wer einfach nur bestehende Schaltungen nachbaut, steht oft hilflos vor den "Schmutzeffekten". Wer allerdings mit Röhren in vielen unterschiedlichen Anwendungen gearbeitet hat, erkennt schnell die möglichen Probleme.

Die hohe Entwicklung der Technik hat in vielen Bereichen zu einer Spezialisierung geführt, die den Blick auf die Grundlagen getrübt hat. Vielleicht ist deshalb die Röhrentechnik gerade heute wieder verstärkt in das Interesse vieler Elektroniker getreten. Es reicht eben nicht, nur die neuesten Ergebnisse der Digitaltechnik zu kennen, sondern man muss auch einiges über aktive und passive Bauteile und über rein analoge Grundschaltungen wissen. Zurück zu den Ursprüngen, diese Forderung entspringt nicht reiner Nostalgie, sondern sie dient einer fundierten Grundausbildung in der Elektronik. Immer mehr Menschen erkennen deshalb den didaktischen Wert der Röhrentechnik. Tatsächlich lassen sich viele Themen der Elektronik in besonders einfacher Form mit Röhren erarbeiteten. Wer Begriffe wie Arbeitspunkt, Rückwirkungskapazität, Kennlinie und Klirrfaktor an Röhrenschaltungen kennen gelernt hat, kann sie auch auf die Halbleitertechnik übertragen. Wahrscheinlich wäre es übertrieben zu fordern, dass jede Elektronik-Ausbildung mit Röhren beginnen sollte. Aber zumindest kann es nur nützlich sein, wenn man auch mit Röhren umgehen kann.

Der Autor dieses Buchs hat seinen Weg in die Elektronik mit Röhren begonnen. Am Anfang stand der Amateurfunk. In den 1970er Jahren war die Röhre den Halbleitern noch in vieler Hinsicht überlegen. Außerdem waren Radio- und Fernsehgeräte noch weitgehend mit Röhren bestückt. Was lag also näher, als die besten Bauteile aus Geräten der Unterhaltungselektronik für den Amateurfunk zu verwenden. Röhren, Transformatoren und Drehkondensatoren konnten immer irgendwo ausgebaut werden. Teilweise stecken diese Bauteile immer noch in funktionierenden Eigenbauprojekten. In der Folgezeit hat dann die Halbleitertechnik die Röhre aus vielen Bereichen verdrängt. Aber es gab eine Tradition, alte Röhren nicht in den Müll zu werfen. Deshalb ist immer noch eine ganze Sammlung alter Röhren vorhanden.

Nach Jahrzehnten der Vergessenheit werden Röhren heute wieder interessant. Das Internet hat mit dazu beigetragen, Informationen und Projekte mit Röhren zu verbreiten. Man findet zahlreiche Hobbyprojekte mit Röhren und mehr Informationen zur historischen Entwicklung der Röhrentechnik, als in vergangenen Jahren ohne großen Aufwand zu bekommen waren. Dazu kommt, dass inzwischen Restbestände alter Röhrenproduktionen preiswert auf den Markt kommen. Fast jede Röhre ist noch zu finden, weil ganze Sammlungen angeboten werden. Oft ist es der Generationenwechsel in Radio- und Fernsehgeschäften, der umfangreiche Sammlungen freisetzt. Das reine Sammeln von Röhren ist für viele zu einem neuen Hobby geworden, wobei besonders alte, besonders schöne Röhren oder besonders große Senderöhren ihren Preis haben. Dass man fast jede Röhre auch wieder sinnvoll in Betrieb nehmen kann, will dieses Buch zeigen.

Ein anderes sehr aktuelles Hobby ist das Case-Modding, der Umbau moderner PCs nach individuellen Vorstellungen. Dabei geht es nicht nur um Wasserkühlung oder den besondern leisen PC, sondern auch moderne Schönheitsideale spielen eine Rolle. Mancher versieht seinen PC mit transparenten Wänden, baut besondere Beleuchtungen ein und verwendet besondere Lüftungsgitter. Aber auch der Einbau von Röhren gibt dem PC eine besondere Note. Nachdem bereits die Industrie das Thema aufgegriffen hat und eine Röhre auf dem Motherboard eines Rechners aufgetaucht ist, findet man Bauvorschläge für den Einbau kompletter Röhren-Gegentaktverstärker in das PC-Gehäuse, natürlich so, dass man die Röhren auch sehen kann. Gerade der Ansatz dieses Buchs, Röhrenschaltungen mit geringen Spannungen zu versorgen, kommt diesem Ziel entgegen. Es erscheint durchaus sinnvoll, einen Röhren-Verstärker mit dem besonderen Klang an der PC-Soundkarte betreiben.

Der besondere Reiz der Röhrentechnik liegt teilweise darin, die neueste Technik mit sehr traditioneller Elektronik zu verbinden. Viele Musikfreunde sind davon überzeugt, dass der perfekte Klang eines CD-Players geradezu nach einem Röhrenverstärker verlangt. Der viel zitierte warme Klang der Röhren verhilft erst zum wahren Musikgenuss. Genauso kann die neueste Technik von MP3 bis zum digitalen Rundfunk durch Röhrentechnik veredelt werden. Dabei muss es nicht immer gleich der teure Leistungsverstärker mit vier EL34 sein. Die ersten Erfolgserlebnisse erzielt man auch mit kleinen Kopfhörerverstärkern, die ganz ohne teure Spezialbauteile auskommen.

Das Buch versucht einen einigermaßen vollständigen Überblick über die Verwendbarkeit üblicher Röhren bei kleinen Spannungen zu geben. Dazu wurde ein Messverfahren entwickelt, dass alle Röhren bei der gleichen Spannung von 12 V vergleicht. So entstand eine kleine Sammlung spezieller Daten, die in keinem Datenbuch zu finden sind. Es zeigen sich deutliche Unterschiede in den wichtigsten Parametern. Der Leser wird in die Lage versetzt, die passende Röhre für den jeweiligen Einsatzzweck auszusuchen. Aber auch Vergleiche mit ähnlichen Röhren werden möglich. Wer also eine bestimmte Röhre bekommt, die nicht explizit untersucht wurde, hat eine gute Chance, eine ähnliche Röhre mit vergleichbaren Daten zu finden, die sich auch bei geringen Spannungen ähnlich verhält.


Zusätzliche Hinweise:

Wer Röhren bei kleinen Anodenspannungen einsetzt, der muss wissen, dass keine Spitzentechnik dabei entsteht. Vielmehr geht es um eigene Experimente mit wenig Aufwand. Mit den kleinen Spannungen kann aber bereits einiges erreicht werden. Beispiele sind der Kosmos-Radiomann oder das Franzis-Röhrenradio. Eine beliebte Hilfe für Versuchsaufbauten ist das Röhrentechnik-Experimentiersystem RT100 von Modul-Bus.

Viele Leser meines Buchs haben es als Einstiegshilfe in die Röhrentechnik verstanden, mit dem Ziel, danach etwas richtig großes zu bauen. Wer Röhrenverstärker der Spitzenlasse bauen will, der findet in Jogis Röhrenbude eine Fülle verschiedener Projekte. Oder in den Röhren-Sonderheften bei Elektor. Egal, ob man selbst bauen oder nur den speziellen Klang der Röhren genießen will, Röhren sind wieder in!