Röhren-Preamp im Eigenbau

Röhren sind in! In dieser mehrteiligen Serie wollen wir zeigen, dass es auch nicht ganz so Geübten gelingen kann, einen hochwertigen Vorverstärker in Röhrentechnik aufzubauen. 

Im Bereich des Recordings sind Röhren-Preamps ja zu allen Zeiten geschätzt worden und bilden eine willkommene Ergänzung zu dem analytischen Klang guter Digitaltechnik. Im diesem ersten Teil der Serie werden die Grundlagen gelegt, um die Schaltung zu verstehen und die Möglichkeit zu schaffen, durch eigenes Experimentieren Varianten der – dann im zweiten Teil vorgestellten – Verstärkerschaltung auszuprobieren.

Technikgrundlagen

Das Selbstbauprojekt startet mit Elektronenröhren in Niedervolttechnik, was bedeutet, dass es im ganzen Gerät keine gefährlich hohen Spannungen gibt. Erst das lässt uns wagen, ein derartiges Vorhaben vorzuschlagen – wir wollen unsere Leser ja noch lange behalten! Niedervoltröhren wurden eine Zeit lang für die verschiedenen Anwendungsbereiche batteriebetriebener Geräte hergestellt, bevor Transistoren den Markt eroberten (also in den 1960er-Jahren). Die von uns beschriebenen Schaltungen werden aber so ausgelegt sein, dass sie auch mit etwas höheren Spannungen für Röhrentypen taugen, die heute noch (oder wieder) hergestellt werden. Grundsätzlich lässt sich bereits hier ein großer Vorteil von Röhren gegenüber Halbleitern erwähnen: Röhren sind viel robuster gegen kurzzeitige Fehler in einer Schaltung. Brennt man nicht die Röhrenheizung durch, dürfte kaum ein Schaden – selbst bei Verdrahtungsfehlern – zu befürchten sein. Also auf geht’s mit etwas Technik.

Grundbegriffe: Diodenröhren

Die allerersten Elektronenröhren, die Dioden (-röhren), hatten die Funktion und Eigenschaft, den Strom hauptsächlich in einer Richtung fließen zu lassen, während in der anderen Richtung kaum ein Stromfluss stattfand. Diese Röhren kann man demnach als Gleichrichter einsetzen, was in den Netzteilen mancher Gitarrenamps bis zum heutigen Tage praktiziert wird – bekannt als „Rectifier”, was nichts anderes als Gleichrichter bedeutet. Die Diodenröhre besitzt in ihrer ursprünglichen Form zwei Anschlüsse, die mit Anode (Pluspol) und Kathode (Minuspol) bezeichnet werden. Der Effekt besteht nun darin, dass man die Kathode direkt oder indirekt aufheizt, worauf diese in der Folge Elektronen von sich weg schleudert. Das Innere der Röhre ist leer gepumpt („vacuum tube”), sodass sich die ausgesendeten Elektronen frei bewegen können. Sie werden von der Anode, die eigentlich nur ein in der Nähe befindliches Blechstück ist, dann angesaugt, wenn eine positive Spannung an diese angelegt wird. Strömen die Elektronen zur Anode, hat man es mit einem elektrischen Strom zu tun, denn Strom ist nichts anderes als sich bewegende Ladungsträger (Elektronen). In der anderen Richtung funktioniert das nicht, denn gleichnamige Ladungen stoßen sich ab, und eine negative Spannung an der Anode lässt dann eben keine Elektronen fließen. Vielmehr werden im Vakuum herumfliegende Ladungsträger von der Anode abgestoßen.

Eine Verfeinerung besteht in der indirekten Kathodenheizung, wobei ein Heizfaden in unmittelbarer Nähe der Kathode diese aufheizt, ohne elektrisch mit ihr verbunden zu sein. Diese Technik verwenden die meisten heute noch gängigen Röhren. Eine Weiterentwicklung der Diode, die erstmals die Verstärkung eines elektrischen Signals ermöglichte, ist die Triodenröhre oder kurz Triode. Bei ihr beeinflusst eine weitere Elektrode in der Röhre den Stromfluss zwischen Kathode und Anode, das „Gitter”. Es ist zwischen diesen beiden Elektroden angeordnet und lässt, da es wirklich ein Gitter ist, die allermeisten Elektronen durchfliegen. Legt man allerdings an das Gitter eine negative Spannung an, stößt das Gitter die Elektronen ab, die auf dem Weg von der Kathode zur Anode sind. Bei geschickter Auslegung der Geometrie genügt eine relativ geringe Spannung am Gitter, um den relativ großen Strom Kathode-Anode massiv zu verändern. Wir sollten uns merken, dass der primäre Effekt tatsächlich ist, dass eine Spannungs-Änderung am Gitter eine Strom-Änderung am Ausgang bewirkt.Wir haben es also nicht direkt mit einem spannungsverstärkenden Bauelement zu tun (siehe Kasten).

Im Beispiel dort haben wir einen Anodenwiderstand von 10 Kiloohm verwendet. Dies führt uns zu einem wichtigen Punkt, denn man erkauft eine hohe Spannungsverstärkung mit einer hohen Ausgangsimpedanz der Röhrenstufe. Wird diese dann durch eine niederohmige Last am Ausgang gefordert, bricht die Spannung ungewollt zusammen, was unbedingt verhindert werden muss. Später mehr dazu beim Thema Schaltungsentwurf. Ein Beispiel für eine Triode in Niedervolttechnik ist die ECC86, eine Doppeltriode. Dies bedeutet, dass zwei getrennt nutzbare Trioden in einem Glaskolben untergebracht sind, nicht unpraktisch für mehrstufige Verstärkerschaltungen. Auch die in fast allen Gitarrenamps eingesetzte 12AX7 ist eine Doppeltriode (allerdings für hohe Anodenspannungen).

Steilheit

Ein wichtiger Parameter einer Röhre ist die so genannte „Steilheit“, die beschreibt, wie viel Spannung am Eingang zu wie viel Stromänderung führt:

Die Stromänderung wird am einfachsten in eine Spannungsänderung (die man eigentlich erreichen möchte) umgesetzt, indem man den sich ändernden Strom durch einen simplen Widerstand fließen lässt; nach dem Ohmschen Gesetz (U=R·I) erzeugt eine Stromschwankung eine Schwankung des Spannungsabfalls über dem Widerstand, und je größer der Widerstand ist, umso größer auch die Wechselspannung. In Zahlen bedeutet dies, dass man für Niedervoltröhren mit einer Steilheit von ungefähr 2 mA/V rechnen kann. Verwendet man als Anodenwiderstand einen 10-Kiloohm-Widerstand, resultiert eine Spannungsverstärkung von näherungsweise

Dies entspricht einem Gain von +26 dB für eine solche Röhrenstufe.

Neben den ebenfalls ehedem gebräuchlichen Tetroden (mit insgesamt vier Anschlüssen) spielen in Verstärkerschaltungen die Pentoden mit fünf Anschlüssen eine große Rolle. Sie enthalten gegenüber der Triode zwei weitere Gitter und sind als Verbesserung von Trioden entwickelt worden.

Erste Erweiterung ist das Schirmgitter, dessen Zweck man so beschreiben kann: Bei Trioden ergibt ein großer Anodenstrom eine kleine Spannung an der Anode. Der Strom bremst sich dadurch selbst ab und verringert die Verstärkung. Das Schirmgitter liegt zwischen Anode und Gitter und erhält eine feste positive Spannung in Höhe von z. B. der Anodenspannung. Da es näher an der Kathode sitzt, übt es eine kräftige Saugwirkung auf die Elektronen aus und bewirkt einen gleichbleibenden Stromfluss. Ein Teil der Elektronen landet auf dem Schirmgitter, der größte Teil jedoch fliegt durch die Lücken hindurch zur Anode und bewirkt den normalen Verstärkungsvorgang. Der Anodenstrom wird dadurch fast unabhängig von der Anodenspannung. Sie kann stark schwanken, während der Strom sich nur wenig ändert. Man kann dann große Anodenwiderstände verwenden, was zu einer erwünschten hohen Spannungsverstärkung führt. In den Datenblättern von Röhren wird das Schirmgitter häufig als „g2” bezeichnet, während das normale Gitter bei Pentoden unter „g1” läuft.

Ein drittes Gitter (natürlich „g3”) vervollständigt die Blechsammlung in einer Pentode, das „Bremsgitter”. Wie Regentropfen auf einer Wasserfläche schlagen die mit großer Energie auf die Anode prallenden Elektronen dort neue Elektronen heraus. Wird die Anodenspannung während ihrer negativen Halbwellen kleiner als die Schirmgitterspannung, so fliegen diese Sekundärelektronen zum Schirmgitter, da es zu diesem Zeitpunkt positiver als die Anode ist. Es verlassen also mehr Elektronen die Anode, als dort ankommen. Der Anodenstrom ist damit nicht mehr ein Abbild der Gitterwechselspannung. Das zwischen Schirmgitter und Anode liegende Bremsgitter, das auf die Spannung Null Volt gelegt wird, bremst die Elektronen ab und treibt sie zur Anode zurück, sodass die Störung vermieden wird. Andererseits durchfliegen das Bremsgitter die schnelleren, von der Kathode kommenden Elektronen fast ungehindert in Richtung Anode.

Zusammengefasst erreicht man bei passender Beschaltung eine verbesserte Linearität von Pentoden gegenüber Trioden. Aber keine Angst, es werden in unserer Schaltung noch genügend Klirrverzerrungen übrig bleiben, um einen röhrentypischen Sound zu erreichen.

Gutes Beispiel für eine Pentode in Niedervolttechnik ist die EF98, die als Verstärkerröhre in den „Radiomann”-Kosmos-Experimentierkästen zur Legende wurde. Die Spannung, mit der die Röhrenheizung funktioniert, orientiert sich häufig an üblichen Batteriespannungen und beträgt für Vorstufenröhren oft nominell nach Datenblatt 6,3 oder 12,6 Volt. Sollten wir anpeilen, unseren Preamp mit 24 Volt Anodenspannung zu betreiben, bietet sich an, vier Heizfäden in Reihe zu schalten. Genau sechs Volt statt 6,3V sind okay, man verliert nur ungefähr ein halbes dB Gain. Der notwenige Heizstrom wird etwa 300 mA betragen, sodass für die Röhrenheizung 0,3 A × 6 V = 1,8 Watt Leistung pro Röhre benötigt werden.

Schaltungen von Röhrenverstärker-Vorstufen

Von den Grundlagen der Röhren nun zu den Grundschaltungen. Wir beschränken uns dabei auf die Schaltung von Vorstufen, die mit relativ geringen Wechselspannungen und vor allem geringen Leistungen umgehen. Die von uns eingesetzten Röhrenstufen arbeiten in Class-A-Technik. Im Gegensatz zur in Endstufen standardmäßig eingesetzten Class-A/B oder Class-B-Technik fließt hier bereits ohne Signal ein mittelgroßer Strom durch die Röhre, der ein wenig größer oder kleiner wird, je nachdem, ob das Audiosignal momentan positive oder negative Werte hat. Der große Vorteil bei Class-A-Schaltungen besteht darin, dass für sehr kleine Amplituden, also leise oder ausklingende Signale, perfekte Linearität herrscht. Nichtlineare Verzerrungen im Bereich kleiner Amplituden, wie man sie zum Beispiel von der Quantisierung bei A/D-Wandlern kennt, können klanglich sehr störend sein, werden aber mit dieser Technik vermieden. Ein Nachteil von Class-A-Schaltungstechnik ist der erhöhte Stromverbrauch, der in unserer Anwendung aber kaum eine Rolle spielen dürfte.

Ein wichtiger Parameter im Zusammenhang mit der Class-A-Technologie ist der Begriff „Arbeitspunkt”. Der Arbeitspunkt für eine einfache Röhrenstufe besagt eigentlich nur, wie viel Strom durch die Röhre fließt, wenn kein Signal anliegt (engl. bias). Dieser Strom wird durch eine leicht negative Gitterspannung eingestellt. Wie dies genau gemacht wird, erschließt sich erst aus einem Blick in die Röhrenkennlinienfelder, die Bestandteil jedes Datenblatts sind, aber hier aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht beschrieben werden. In den als Literaturhinweis angegebenen Büchern finden sich weitergehende Informationen zu diesem Thema.

In der Grundschaltung einer Triode als Verstärkungselement, Abbildung 3, wird der Arbeitspunkt durch den Widerstand von der Kathode gegen Masse eingestellt. Der einfache Trick besteht darin, dass, wenn ein mittlerer Strom durch die Röhre fließt, auch ein Spannungsabfall über diesem Widerstand festzustellen ist, im Beispiel etwa 1 Volt. Die Kathode liegt damit auf +1 Volt, während das Gitter g1 durch den 1-Megaohm-Widerstand auf Null-Volt-Potenzial gehalten wird und damit gegenüber der Kathode negativer ist. Mit dem Gleichgewichtszustand, der sich in dieser Konstellation einstellt, sind wir beim nächsten wichtigen Stichwort angekommen: Gegenkopplung. Mit diesem Begriff wird eine Maßnahme bezeichnet, die eine Änderung am Verstärkerausgang gegensinnig wieder zum Eingang zurückführt. In der Folge erhält man eine deutliche Verringerung von nichtlinearen Verzerrungen des Verstärkers, was meistens als Verbesserung angesehen wird. Auf der anderen Seite verliert man ebenso deutlich an Verstärkung der gegengekoppelten Stufe. Wir finden es deshalb eine gute Idee, die Gegenkopplung von außen einstellbar zu machen, sodass eine graduelle Regelung von Verzerrungsprodukten vom Nutzer des Geräts beeinflussbar wird. Für eine variable Gegenkopplung ist im Diagramm Abb. 4 das ebenfalls an der Kathode angeschlossene Trimmpotentiometer zuständig; der daran angeschlossene Kondensator sorgt dafür, dass die Änderungen durch das Poti nur bei Wechselspannungen wirken und nicht die ursprüngliche Arbeitspunkteinstellung verändern. Der Rest der Beschaltung folgt den grundlegenden Ausführungen weiter oben. Das Schirmgitter wird mit dem 20- Kiloohm-Widerstand auf ein hohes Potenzial gelegt, während das Bremsgitter g3 auf Massepotenzial liegt.

Ein Wort noch zu den Impedanzen: Der Eingangswiderstand einer Röhre ist zunächst einmal denkbar hoch, da der Eingang auf dem Gitter g1 angeschlossen wird, welches in der Realität eben ein gelochtes Stück Blech im Vakuum ist. Auf die Dauer wird kaum ein Strom dort hineinfließen, wo sollten die Elektronen auch hin. Die Eingangsimpedanz der Verstärkerstufe wird also weitgehend durch den Widerstand vorgegeben, der das Gitter auf Massepotenzial zieht, also 1 Megaohm in unserer Beispielschaltung. Wenn es darauf ankäme, könnte man den Widerstand noch weiter erhöhen, dann würde man allerdings irgendwann Probleme mit dessen thermischen Rauschen (siehe unten) oder mit Störeinstreuungen bekommen. Die Ausgangsimpedanz der Pentodenstufe liegt um die 10 Kiloohm, was für einen Ausgang ein eher hoher Wert ist. Nach der Methode der Spannungsanpassung sollte eine daran angeschlossene Last eine fünf- bis zehnmal höhere Impedanz aufweisen. Dies werden wir in der weiteren Dimensionierung berücksichtigen müssen.

Am Eingang und am Ausgang der Röhrenstufe ist es im Allgemeinen notwendig, zur Abtrennung von Gleichspannungen Koppelkondensatoren zu verwenden. Es soll ja beispielsweise von der Anode nicht deren Gleichspannungswert (welcher durch die Arbeitspunkteinstellung vorgegeben wird) weiter übertragen werden, sondern nur der Wechselanteil des Audiosignals. Wegen der recht hochohmigen Konzeption der gesamten Schaltung können als Koppelkondensatoren noch einigermaßen kleine Werte eingesetzt werden, sodass man ohne die ungeliebten Elektrolyt-Kondensatoren (kurz Elkos) auskommt. Jenen sagt man zu Recht erhöhte Verzerrungen der unangenehmen Art nach. Übrigens haben wir bei korrektem Aufbau keine Höhenbeschränkung von den Röhren zu erwarten; diese sind für Schaltungen geeignet, die Frequenzen von etlichen Megahertz verarbeiten.

Rauschen und Brummen in Verstärkerschaltungen

Wir müssen uns wohl dem fundierten Vorurteil stellen, das in der Bevölkerung vorherrscht: „Tontechnik” ist fast schon gleichbedeutend mit „Problem”. Überall da, wo Audiotechnik für Beschallung, Live-Übertragung etc. eingesetzt wird, ist man es leider zu sehr gewohnt, dass Signale ausfallen, dass es brummt, knackt und pfeift. Nun, wir arbeiten daran.

Hier in diesem Bauprojekt sollte es schon unser Ziel sein, ein störungsarmes Gerät zu konstruieren, das nicht nur in sich rausch- und brummarm ist, sondern sich auch robust gegen äußere Störungen darstellt. Eingangs darf erwähnt werden, dass wir uns damit eine viel größere Aufgabe vorgenommen haben, als wenn wir ein Linepegelgerät wie etwa einen EQ bauen würden. Bei einem Mikrofonvorverstärker ist es ja so, dass auch sehr winzige Eingangsspannungen als Nutzsignal vorkommen (manchmal im Mikrovoltbereich), die entsprechend hoch verstärkt werden müssen, um in den „vernünftigen” Bereich üblicher Linepegel, sagen wir 1 Volt, zu kommen. Man kann sich denken, dass Störeinflüsse, die in unsere Schaltung ungewollt einkoppeln, immer dann besonders kritisch sind, wenn sie den Eingangsbereich treffen. Alles, was da anliegt, wird durch den Preamp vielfach verstärkt und entsprechend hörbar am Ausgang des Verstärkers wahrzunehmen sein. An dieser Stelle sind äußere Störungen gemeint, wenn zum Beispiel ein funkendes Mobiltelefon in der Nähe des Amps seine Strahlung aussendet, wenn streuende Netztransformatoren anderer (Effekt-) Geräte mit im Rack eingebaut sind usw. Natürlich müssen wir – und zuallererst das – auch dafür sorgen, dass unsere eigene Schaltung 1. möglichst wenige Störsignale produziert und 2. von ihrem Aufbau her unkritisch gegen eigene und fremde Störungen ist. Beispielsweise gehört dazu, dass Verdrahtungswege im Bereich des Verstärkereingangs kurz sind (wir werden Phantomspeisung und Pad mit Relais schalten) und möglichst symmetrisch betrieben werden.

Eine immer gute Methode ist es, mögliche Störungen direkt in ihrer Entstehung zu vermeiden oder zu reduzieren. Um das gerade in Röhrengeräten nicht gerade wenig verbreitete Netzbrummen zu killen, werden wir Schaltnetzteile verwenden, die außerhalb des Geräts liegen können (als Steckernetzteil). Damit findet sich im Innern des Verstärkergehäuses gar keine 50 Hz- oder 100-HzQuelle, und man hat so gesehen schon einmal gute Karten bei diesen tieffrequenten Störungen. Einige Puristen werden nun die Hände über dem Kopf zusammenschlagen bei dieser Kombination von Röhren- und Netzteil-Technologien, aber wir haben keine Berührungsängste und machen genau das, was gut funktioniert – und gut klingt.

Eine im professionellen Bereich durchgängig verwendete Technik ist die der symmetrischen Signalführung, wo es zwei Adern für den Signalstrom gibt, als Hin- und Rückweg eines Stromkreises. Abschirmungen der Kabel werden separat angeschlossen, so, wie man es von jedem XLR-Stecker kennt bzw. kennen sollte. Symmetrische Signalverbindungen sind ganz wesentlich unempfindlicher gegen Störeinstreuungen als unsymmetrische Kabel (mit Cinch-Steckern oder Mono-Klinkensteckern). Wenn wir hier im Abschnitt „Störungen” sind, versteht es sich, dass unser Preamp sowohl eingangsseitig als auch ausgangsseitig mit symmetrischen Anschlüssen ausgestattet wird.Wir werden allerdings noch sehen, dass ganz unterschiedliche Techniken zum Einsatz kommen.

Für die Einstreuempfindlichkeit am Verstärkereingang ist es sehr ungünstig, wenn viele lange Kabel mit schwachen Signalen durch das Gehäuse geführt werden müssen, zumal wenn die Signalführung unsymmetrisch ist wie meist im „Inneren” von Verstärkerschaltungen. Kandidaten für solche Kabelwege sind die z. B. die Umschalter für Pad, Lowcut oder Phantomspeisung. Es ist von daher keine schlechte Idee, für diese Umschaltfunktionen Relais zu verwenden, die nahe bei den signalführenden Bauelementen liegen. Die Kabel zu den Schaltern führen dann nur Gleichspannung zur Aktivierung der Relais und sind somit störunempfindlich. Beispielhaft ist auf dem Foto die Eingangsstufe des Röhrenverstärkers „K2” der Fachhochschule Düsseldorf zu sehen (s. a. SOUND & RECORDING 3/2009), wo die Pad-Funktion mittels Relais vom Typ FRT5 realisiert ist. Die dort verwendeten Relais besitzen Gold-/Silberkontakte und sind mit einem Stückpreis unter einem Euro noch sehr preisgünstig.

Am Eingang eines Verstärkers kann im Extremfall das so genannte thermische Widerstandsrauschen eine Rolle spielen. Dieses unerwartete Phänomen äußert sich so, dass an einem ganz normalen Widerstand eine minimale (Rausch-) Spannung festgestellt werden kann, die mit der Temperatur ansteigt. Sie liegt bei Zimmertemperatur und 200-Ohm-Widerständen im Bereich um die –130 dBV, was zunächst wenig erscheint. Wird dieses Signal, was z. B. das Rauschsignal eines dynamischen Mikrofons sein kann, aber um 60 dB hochverstärkt, liegt sein Pegel dann bei –70 dBV, was schon nicht vernachlässigbar ist. Man käme bei 0 dBV (1 Volt) Signalpegel in diesem Fall nur auf einen Signal/Rauschabstand (SNR: signal to noise ratio) von 70 dB, während eine CD maximal 96 dB SNR liefern könnte. Das thermische Rauschen steigt mit dem Widerstandswert an, hochohmige Quellen haben also höhere Rauschpegel.

Es ist eine gewisse Kunst, die Rauschverhältnisse am Eingang von Preamps zu optimieren. Eine sehr gute Möglichkeit dazu ist der Einsatz von Eingangstrafos, speziell auch bei Röhrenstufen. Wie weiter unten noch ausgeführt wird, bietet es sich an, Übertrager mit recht hohem Übersetzungsverhältnis zu verwenden. Sie „verstärken” die Eingangsspannung, indem sie sie hochtransformieren, mit der schönen Eigenschaft, dass sie als passives Bauelement kein eigenes Rauschen dem Signal hinzufügen, ganz anders als aktive Verstärkerelemente wie Röhren und Transistoren. Man bekommt den Pegelanstieg sozusagen „geschenkt”.

Günstig für das Rauschen ist auch die widerstandsmäßige Anpassung zwischen Quelle (Mikrofon) und Verstärker (Gitter der ersten Röhre). Maßgebliche Entwickler sind sich einig, dass die Eingangsimpedanz eines Mikrofonpreamps um die 1,5 bis 2 Kiloohm liegen sollte, um damit einen Faktor fünf bis zehn über der Quellimpedanz zu liegen; man spricht dann von Spannungsanpassung. Auch hierbei hilft ein Übertrager mit hohem Übersetzungsverhältnis.

Übertrager für Audiosignale

Wir haben gesehen, dass man mit einem Übertrager am Verstärkereingang mehrere Vorteile verbinden kann.Weil Transformatoren im Signalweg aber auch unerwünschte Effekte haben können, lohnt sich auf jeden Fall ein Blick auf deren technische Eigenschaften und die Unterschiede zwischen verschiedenen Exemplaren.

Es gibt einen großen Unterschied zwischen Netztransformatoren und Audio-Trafos, der in der Übertragungsbandbreite liegt. Ein Netztrafo muss ja nur eine einzige Frequenz (50 oder 60 Hz) streuarm übersetzen, während ein Audioübertrager die übliche, große Frequenzspanne über zehn Oktaven (20 Hz bis 20 kHz, besser noch höher) transformieren muss. Insofern kommen nur hochwertige, genau für diesen Zweck konstruierte Übertrager in Betracht. Renommierte Hersteller sind beispielsweise die Firmen Lundahl, Jensen, Haufe oder Pikatron (der Ort Usingen scheint ein „Nest” von Trafowicklern zu sein).

Zum Aufbau von Audioübertragern: Um den Effekt der „Mikrofonie” zu vermeiden, sind solche Trafos immer vergossen, ähnlich wie Gitarrenpickups. Mikrofonie meint hier, dass bei mechanischer Anregung (Dagegenklopfen) ein Signal hörbar wird; die Ursache liegt dann darin, dass die Windungen sich gegeneinander bewegen und eine – wenn auch geringe – Spannung induziert wird. Diese wird aber noch entsprechend hoch verstärkt, wenn es sich um einen Eingangstrafo handelt.Wenn man schon mit Kunstharz oder Wachs vergießt, nimmt man zweckmäßigerweise gleich ein magnetisch abschirmendes Metallgehäuse gegen Brummeinstreuungen oder andere äußere Magnetfelder. Der Übertrager soll ja gerade nicht wie ein Tonabnehmer an der Gitarre wirken.

Nebenbei gibt es auch bei den Blechen, aus denen ein Trafokern hergestellt wird, deutliche Materialunterschiede, vor allem was die maximale Magnetfeldstärke bis zur Sättigung angeht. Insofern ist die schiere Größe eines Trafos durchaus ein Anhaltspunkt für den maximal verzerrungsarm verarbeitbaren Signalpegel, aber nicht das einzige Kriterium (vgl. Foto der Eingangsstufe des ADT-Mischpults; diese Preamps stellen für manche Leute einen gewissen Standard dar). Die Sättigung wird dann erreicht, wenn bei einem positiven oder negativen Scheitelwert eines Signals die so genannten Elementarmagnete im Blechmaterial alle in die gleiche Richtung ausgerichtet werden. Eine weitere Aufmagnetisierung ist dann nicht möglich und die Sekundärspannung folgt der Eingangsspannung nicht mehr proportional, wie es bei einem nicht verzerrenden System sein müsste.Weil der Sättigungseffekt bei positiven und negativen Halbwellen gleichermaßen vorhanden ist und nicht schlagartig, sondern graduell zunehmend auftritt, äußert sich das in ungeraden Klirrkomponenten (k3, k5 usw.), die mit steigendem Pegel stetig zunehmen. Wenn man es arg treibt, bekommt man ein Soft-Clipping des Signals, was ein erwünschter Effekt sein kann, oder auch nicht.Typische maximal sinnvolle Aussteuerungsgrenzen (bei 1 % k3) liegen grob um die 0 dBV, d. h. 1 Volt Signalspannung für einen Mikrofoneingang.

Wir dürfen vielleicht einen Blick auf die technischen Gegebenheiten werfen, um zu verstehen, was die wesentlichen Eigenschaften und Beschränkungen der Übertragertechnik sind. Abb. 5 zeigt zunächst das Schaltbild mit einer Signalquelle (U0, R1), dem Transformator und einem Lastwiderstand R2. Es gelten nun folgende formelmäßigen Zusammenhänge:

Dabei sind n1 und n2 die Windungszahlen des Trafos, ü ist das Übersetzungsverhältnis. Bei einem 1:10-Übertrager ist also U2 zehnmal so groß wie U1, es findet also eine Spannungserhöhung statt. Die zweite Formel besagt, dass ein Widerstand R2 (rechts = Sekundärseite) um den Faktor ü2 reduziert für die Spannungsquelle (links = Primärseite) erscheint. Ist R2 der Eingangswiderstand einer Röhrenschaltung von zum Beispiel 1 Megaohm, verhält sich die Trafoschaltung so, als hätte man an die Signalquelle einen 10 Kiloohm-Widerstand angeschlossen (1 Megaohm / 102 = 10 Kiloohm). Diese Impedanzverhältnisse kommen sinnvollen Werten schon recht nahe.

Ein weiterer Blick auf ein etwas ergänztes Schaltbild eines Transformators erlaubt die Abschätzung von unterer und oberer Grenzfrequenz. In dem in Abb. 6 dargestellten Ersatzschaltbild sind zusätzlich zur idealisierten Darstellung noch der Widerstand der Kupferwicklungen (Rcu) und frequenzgangbestimmende Elemente zu erkennen. Mit σ·L1 ist die fiktive „Streuinduktivität” bezeichnet; sie berücksichtigt, dass ein geringer Teil des von der Primärwicklung erzeugten Magnetfelds ungewollt nach außen dringt und nicht zur Signalübertragung beiträgt. Der ebenfalls ungewollte Kondensator C stellt die Kapazität dar, die mehrere Lagen einer Wicklung zueinander haben. Weil dies wirklich kritisch ist, haben viele gute Audioübertrager (z. B. von Lundahl) die Wicklungen auf eher weit auseinander liegende Schichten verteilt, was aufwändiger zu wickeln ist, aber eine höhere Frequenzbandbreite erlaubt.

Man kann in Abb. 7, dem Ersatzschaltbild für tiefe Frequenzen, erkennen, wie eine untere Grenzfrequenz zustande kommt. Der Kondensator spielt hierbei keine Rolle, es entsteht ein Spannungsteiler, der aus R1 und L1 gebildet wird. Eine Induktivität hat zu tiefen Frequenzen eine immer weiter abnehmende Impedanz (ZL=j1/2L), womit der Anteil von U1 an U0 zu tiefen Frequenzen hin immer weniger wird. Eine Begrenzung zu hohen Frequenzen hin findet wie oben angedeutet unter Beteiligung der kritischen Wicklungskapazität statt. Im Ersatzschaltbild für hohe Frequenzen, Abb. 8, erkennt man einen Reihenschwingkreis aus der Streuinduktivität σ·L1 und dieser Kapazität. Die Resonanz dieses Kreises führt zu einer mehr oder weniger stark ausgeprägten Spitze im Frequenzgang, bevor bei Frequenzen oberhalb der Resonanz der Frequenzgang abfällt. Bei angepasster Dämpfung ergibt sich ein L/C-Tiefpassfilter mit einer Steigung von –12 dB/ Oktave oberhalb der Resonanz. Durch möglichst kleine Kapazitätswerte sollte die Resonanz bei 20 bis 50 kHz liegen.

Durch die Beschaltung eines Übertragers am Ausgang mit weiteren Kapazitäten kann die Resonanz zu tieferen Frequenzen verschoben werden, was einem Höhenverlust gleichkommt. In recht unkontrollierter Weise passiert dies bei einem Ausgangsübertrager, wenn man ein längeres Kabel anschließt. Um dies zu illustrieren, zeigt Abbildung 9 den Frequenzgang eines Übertragers, der ausgangsseitig mit einer etwas zu kleinen Impedanz abgeschlossen wurde, was prompt zu einem leichten, frühzeitigem Höhenabfall führt. Wir werden in unserem Selbstbauprojekt unter anderem aus diesem Grund keinen Übertrager am Ausgang einsetzen und stattdessen auf eine hochwertige Schaltung zur elektronischen Symmetrierung setzen (wieder so ein Sakrileg). Dieses Konzept hat eigentlich nur technische und wirtschaftliche Vorteile (ein studiotauglicher, pegelfester Ausgangsübertrager kostet locker 100 Euro). Eine Klangverbesserung durch einen Ausgangstrafo gibt es nach Einschätzung des Autors ohnehin nicht, wohl aber zahlreiche mögliche Signalverfälschungen. Wie immer in diesem Projekt gilt, dass jeder hier Raum für eigene Experimente hat.

Stromversorgung

Seit einigen Jahren haben Schaltnetzteile die konventionellen Netzteile mit 50-Hz-Transformatoren in den verschiedenen Leistungsklassen immer mehr verdrängt. Speziell als Steckernetzteile für kleine Leistungen sind sie mittlerweile zu sehr günstigen Preisen erhältlich, und auch wir werden in unserem Selbstbauprojekt zu 24-V-Steckernetzteilen greifen. Diese Spannung stellt die Obergrenze des Gängigen dar, weil diese Spannung noch unter die SELV-Richtlinie fällt (SELV = safety extra low voltage). Die Berührung einer Spannung von 24 Volt ist für den Menschen noch ungefährlich. Benötigt man etwa eine Spannung von 48 Volt Gleichspannung zum Zweck der Phantomspeisung, kann man auf die Idee kommen, einfach zwei preiswerte 24-V-Netzteile in Reihe zu schalten, und genau so werden wir vorgehen. Vorsicht ist allerdings bei der „Qualität” der Gleichspannung geboten: Schaltnetzteile arbeiten bekanntlich mit einer erhöhten internen Schaltfrequenz, die bei einigen 100 kHz liegen kann. Die meisten Schaltnetzteile zeigen am Ausgang noch Spannungsspitzen (spikes), die im zeitlichen Abstand der internen Taktfrequenz aufeinander folgen und in unserer Anwendung nichts zu suchen haben. Man muss geschickt mit geeigneten Filtern diese Spikes wegfiltern.

Für die elektronische Symmetrierung am Ausgang unseres Preamps ist ein Baustein vom Typ DRV134 vorgesehen, der wie die meisten Operationsverstärker mit einer doppelten, symmetrischen Versorgungsspannung betrieben werden sollte. Man benötigt also zwei Spannungen, typischerweise +15 Volt und –15 Volt bezogen auf das Null-Volt-Potential der Schaltung. Zur Erzeugung dieser ±15 V aus einer 24-Volt-Gleichspannung eignen sich so genannte DC/DC-Wandler (DC = direct current, Gleichstrom), die es in mittlerweile fast unüberschaubarer Vielfalt am Markt gibt. Wenn man etwa beim Bauteileversender DigiKey (de.digikey.com) das Stichwort „DC/DC” eingibt, erhält man mehr als 20.000 Treffer. Es gilt also, das richtige Teil zu finden. Hierbei müssen Spannungen, Leistungsklasse, Preis usw. stimmen. Beispielhaft zeigt das Foto einen Baustein des Herstellers V-Infinity, der für etwa fünf Euro zu haben ist. Wie der Aufdruck bereits verrät, wandelt dieses Klötzchen eine 24-V-Eingangsspannung in eine geregelte ±15 V-Spannung um. Für DC/DC-Wandler gilt in gleicher Weise das oben für Schaltnetzteile Aufgeführte: Sie arbeiten intern mit hohen Schaltfrequenzen und zeigen an ihren Ausgängen mehr oder weniger ausgeprägte Spikes. Diese lassen sich jedoch durch parallel geschaltete Kondensatoren an beiden Ausgängen, die man allerdings nicht wegsparen sollte, gut unterdrücken.

Ausblick

So, das war für manchen sicherlich „Hard Stuff”. Teil 2 zu diesem Projekt wird mit dem Aufstellen einer Feature-Wunschliste beginnen. Wir werden dabei versuchen müssen, den Ball flach zu halten, damit das Bauprojekt auch möglichst von vielen erfolgreich umgesetzt werden kann. Der dann folgende Abschnitt soll sich mit der konkreten Schaltung des Preamps auseinandersetzen. Da die Schaltung aber nur die halbe Miete (wenn nicht weniger) auf dem Weg zum fertigen, reibungslos funktionierenden Gerät darstellt, werden weitere Abschnitte noch wichtige Hinweise zum Aufbau und zur mechanischen Konstruktion geben.

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