Ein Röhrenverstärker ist ein elektronischer Verstärker, bei dem Elektronenröhren zur Verstärkung niederfrequenter elektrischer Signale verwendet werden. Mit dem Aufkommen der Halbleiterelektronik wurden Röhrenverstärker im Anwendungsbereich als Audioverstärker weitgehend durch Verstärkerschaltungen mit Halbleiterbauelementen (Transistoren), ersetzt. Verwendet werden Elektronenröhren heute jedoch noch in Gitarrenverstärkern sowie einigen High-Fidelity-Verstärkern, besonders in der sogenannten High-End-Sparte.
mini|Gegentakt Stereo HiFi-Röhrenverstärker ohne Netzteilelektronik – das Gerät ist pro Kanal mit jeweils 4 Röhren bestückt, eine Röhre EM83 dient der Aussteuerungsanzeige. Deutlich zu sehen sind die sehr großen Ausgangstransformatoren für die Lautsprecheranpassung.
Schaltungsprinzipien von Audio-Röhrenverstärkern Zwei grundlegende Beispiele der NF-Verstärkerschaltungstechnik mit Röhren ermöglichen einen Einblick in deren Funktionsweise.
Eintakt Verstärker Betriebsart A mini|Eintakt NF-Verstärker mit Pentode mini|Kennlinie einer Verstärkerröhre mit verschiedenen Arbeitspunkten
Das Schaltschema zeigt einen Eintaktverstärker mit einer Endpentode in Kathoden-Basis-Schaltung, sowohl die positive als auch die negative Halbwelle des Eingangssignals werden dabei von dieser einen Röhre verarbeitet. Die einzige Möglichkeit einer annähernd linearen Verstärkung der beiden Signalteile ist die Wahl des Arbeitspunkts A auf der Ug-Ia-Kennlinie (Eingangskennlinie) der Verstärkerröhre, der in der Mitte des geradlinigen Kennlinienteils liegt, was einen ungünstigen hohen Ruhestrom durch die Röhre und einen wenig vorteilhaften Wirkungsgrad des Verstärkers zur Folge hat – die Klassifizierung der Betriebsart des Verstärkers bezieht sich auf die Position dieses Arbeitspunktes.
Der Koppelkondensator C1 trennt Gleichspannungsanteile des zu verstärkenden Signals ab und verhindert damit eine Arbeitspunktverschiebung. Der sehr hochohmige Widerstand R1 dient dazu, das Steuergitter gleichspannungsmäßig auf Massepotential zu halten. Der Kathodenwiderstand R2 ist zuständig für die Gittervorspannungserzeugung, sein Wert bestimmt den Arbeitspunkt der Röhre. Die Kathode wird aufgrund des durch R2 fließenden Kathodenstromes und des damit verbundenen Spannungsabfalls gegenüber dem Gitter positiv, die daraus resultierende negative Gittervorspannung regelt sich automatisch in Abhängigkeit vom Kathodenstrom (statische Gegenkopplung zur Arbeitspunktstabilisierung). Der Widerstand R2 sollte für einen A-Verstärker mit einer Pentode EL84 z. B. den Wert 135 Ω haben, der eine Gittervorspannung von −7,2 Volt erzeugt. Ein falsch dimensionierter Kathodenwiderstand R2 hat einen asymmetrischen Betrieb zur Folge, bei dem eine Halbwelle des Ausgangssignals deutlich früher in die Begrenzung gerät als die andere. Dadurch wird der nutzbare lineare Aussteuerbereich reduziert, es werden Verzerrungen erzeugt.
Der Kondensator C2 dient der wechselspannungsmäßigen Überbrückung des Widerstands R2. Die Grenzkreisfrequenz 1/(R2·C2) der Gegenkopplung legt die Grenze fest, unterhalb der die Verstärkung verringert wird. Lässt man C2 weg, ist der Verstärker auch wechselspannungsmäßig gegengekoppelt, was sowohl die Verstärkung als auch die Verzerrungen reduziert.
Der Ausgangsübertrager trennt den Lautsprecher von der hohen Anodenspannung und transformiert die hohe Ausgangsimpedanz der Endröhre (bei einer EL84-Endpentode im Eintakt-A-Betrieb 5,2 kOhm) auf den niedrigen Impedanzwert eines dynamischen Lautsprechers.
Im Gegensatz zum obigen Schaltbild ist das Schirmgitter der Endröhre zur Begrenzung des Schirmgitterstroms üblicherweise über einen Widerstand mit der Anodenspannung verbunden. Es dient der Erhöhung des Aussteuerbereiches und der Effizienz, indem durch dessen elektrisches Feld der Anodenstrom auch bei kleinen Anodenspannungen aufrechterhalten wird.
Vorteile des Röhren-Eintaktprinzips Klasse-A: Einfachstes Schaltungskonzept mit wenigen Bauteilen im Signalweg. Kein Phasensplitting wie bei der Gegentaktendstufe notwendig. Keine Strom-Übernahmeverzerrungen bei kleiner Lautstärke.
Nachteile: Mangelnde Linearität wenn (wie in obiger Schaltung) keine Gegenkopplung verwendet wird und der Ausgangstrafo durch den dauernd fließenden Anodenstrom einseitig vormagnetisiert wird. Der Wunsch nach verringertem Klirrfaktor führte zur Erfindung der Gegenkopplung. Geringer Wirkungsgrad und hohe Verlustleistung. Hoher Anspruch an die Restwelligkeit der Anodenspannung insbesondere bei Kopfhörerverstärkern (Brummempfindlichkeit). Für HiFi-Betrieb ist ein aufwändiger und kostspieliger Ausgangsübertrager erforderlich.
Gegentakt Verstärker Betriebsart AB mini|Gegentakt-NF-Röhrenverstärker Das Beispiel auf der rechten Seite zeigt das Schaltungsschema eines leistungsfähigen und typischen Röhren-Audioverstärkers, dessen beide Endpentoden EL34 nach dem Gegentaktprinzip arbeiten – im Gegensatz zum äußerst wirkungsgradschwachen Eintakt-Verstärker teilen sich in der Ausgangsstufe zwei Röhren die Verstärkungsarbeit, indem eine Röhre für die positiven Spannungen, die andere Röhre für die negativen Spannungen zuständig ist, was zu einer verbesserten Leistungsausbeute führt: wenn die eine Endröhre leitet, sperrt die andere und umgekehrt, der Gegentaktverstärker kann demzufolge andere Arbeitspunkte als Klasse A einnehmen. Das weitreichende Funktionsprinzip wurde bereits 1912 von dem kanadischen Elektronikingenieur Edwin H. Colpitts entwickelt. Neben den Möglichkeiten eines Klasse A-Betriebs (hoher Ruhestrom) und des Klasse B-Betriebs (Crossover-Verzerrungen beim Nulldurchgang des Signals) hat sich beim Audio-Gegentaktverstärker vorwiegend die Betriebsart mit der günstigen Position AB des Arbeitspunktes auf der obigen Ug/Ia Röhren-Kennlinie durchgesetzt: ein geringer Ruhestrom lässt die Röhren bei kleinen Signalamplituden im Klasse A-Betrieb arbeiten, mit wachsender Aussteuerung geht der Verstärker allmählich in den Klasse B-Betrieb über, bei Vollaussteuerung arbeiten die Röhren vollständig in der Betriebsart B, was zu wesentlich höherer Ausgangsleistung und besserem Wirkungsgrad führt.
Gesteuert werden die Endröhren mit einem Schaltungsdesign des britischen Röhrenspezialisten D.T.N. Williamson, das unter dem Begriff Split Load Phaseninverter mit Treiberstufe bekannt geworden ist: da es in Analogie zu Halbleiterbauelementen keine komplementären Röhrentypen gibt, muss dieser Teil der Schaltung für die Phasenumkehr des Eingangssignals sorgen – die beiden Steuergitter der Endröhren benötigen zwei verstärkte amplitudengleiche, aber spiegelbildliche Signale, die symmetrisch zur Masse sind.
Das erste Triodensystem der ECC83 bewerkstelligt die notwendige Spannungsverstärkung des Eingangssignals, die zweite Triode der ECC83 ist der eigentliche Concertina (oder auch Kathodyn) Phasensplitter. An der Kathode und an der Anode der Concertina-Triode werden die beiden gegenphasigen Signale jeweils ausgekoppelt und an die beiden Treibertrioden der ECC85 weitergereicht, welche die beiden EL34-Endröhren im Gegentakt antreiben.
Für die Zusammenführung der Signale sowie die Leistungsanpassung an niederohmige Lautsprecher sorgt wiederum ein Ausgangsübertrager, der wegen des Gegentaktverfahrens auf der Primärseite über eine Mittelanzapfung verfügen muss. Eine einstellbare Über-Alles-Gegenkopplung von der Sekundärseite des Übertragers auf die Kathode der ersten Triode linearisiert den Frequenzgang und reduziert den Klirrfaktor.
Die Vorteile des Röhren-Gegentaktkonzepts Klasse-AB sind höhere Ausgangsleistung bei gutem Wirkungsgrad, vergleichsweise einfacher und preisgünstiger Ausgangsübertrager, welcher nicht einseitig vormagnetisiert wird und deshalb weniger Verzerrungen erzeugt sowie günstigere Toleranz gegenüber Restwelligkeiten der Anodenspannung.
Die Nachteile sind: das wesentlich komplexere Schaltungsdesign, bei dem ein Signal in positive und negative Halbwellen gesplittet wird, die dann getrennt verstärkt und erst im Trafo wieder zum Gesamtsignal summiert werden sowie der AB-Arbeitspunkt führt zu Übernahmeverzerrungen.
Sonderform Eisenlose Endstufe Ein moderner permanent-dynamischer Lautsprecher lässt sich mit seiner niedrigen Impedanz problemlos an den niederohmigen Ausgang einer Transistor-Endstufe anpassen. Die hochohmige Ausgangsstufe eines Audio-Röhrenverstärkers erfordert hingegen fast immer eine Leistungsanpassung mit einem Niederfrequenz-Transformator (Übertrager).
Eine Ausnahme hiervon waren Konzepte von „eisenlosen“ OTL-Audio-Röhrenendstufen (OTL steht für OutputTransformerLess), in denen der Ausgangstransformator aus Kostengründen eingespart wurde, die sich aber aus verschiedenen Gründen später nicht durchsetzen konnten: Im bekannten Volksempfänger arbeitete die Niederfrequenz-Endröhre direkt auf einen Freischwinger-Lautsprecher mit seiner hohen Impedanz von 2000 Ohm, weiterhin hat die Firma Philips später eine Schaltung mit verschiedenen Röhrentypen und den dafür notwendigen 600–800 Ohm Lautsprechern in den 1950er und 1960er Jahren in etlichen Röhrenradios und Fernsehgeräten eingesetzt.Weitergehende Informationen zur eisenlosen Endstufe Das Ausgangssignal wird über einen Koppelkondensator abgegriffen und direkt dem Lautsprecher zugeleitet. Philips gab das Konzept nach einigen Jahren wieder auf: Die hochohmigen Schwingspulen litten oft Schaden (Unterbrechung) und es konnte kein externer Zweitlautsprecher angeschlossen werden.
Da die Mängel des Übertragers die Signalqualität beeinträchtigte, entwickelte Mitte der 1950er Jahre der US-Amerikaner Julius Futterman den ersten HiFi-Röhrenverstärker ohne Ausgangsübertrager für den Betrieb mit regulären niederohmigen Lautsprechern, dessen Konzeption später in den OTL-Verstärkerserien der Firma N.Y.A.L. (New York Audio Labs) weitergeführt wurde.
Modernere Konzepte, bei denen in der Ausgangsstufe zumeist eine Vielzahl von relativ niederohmigen Stromregelröhren parallel geschaltet werden, besetzen nach wie vor eine Nische im Markt. Diese Verstärker sind hinsichtlich ihrer verfügbaren Leistung, dem Röhrenverbrauch (Lebensdauer der verwendeten Endröhren) und der Verlustleistung sehr ineffektiv.
Der Grund – der zu große Impedanzunterschied – sei anhand eines 50-W-Verstärkers erklärt: Ein passender 4-Ω-Lautsprecher nimmt den Strom
auf. Das entspricht einem Maximalstrom von 5 A, den ein Leistungstransistor problemlos verarbeiten kann. Die Spannung am Lautsprecher beträgt
Die Spannung am Lautsprecher muss also zwischen den Maximalwerten −20 V und +20 V schwanken. Das ist geradezu ideal für den unmittelbaren Anschluss einer Transistorendstufe mit Komplementärtransistoren (Kombination von NPN und PNP). Diese Zahlenwerte zeigen die prinzipielle Schwäche von Elektronenröhren für „eisenlose“ Endstufen: Der maximal zulässige Kathodenstrom von Leistungsröhren liegt bei 1 A, wenn man von Großröhren für Rundfunksender absieht. Der notwendige Gesamtstrom 5 A lässt sich nur durch Parallelschalten ausreichend vieler Exemplare erreichen. Um diesen Kathodenstrom zu „ziehen“, muss die Röhre mit mindestens 150 V Anodenspannung versorgt werden. Mehr wäre besser. Davon werden aber nur 20 V für den Lautsprecher verwendet, der Rest trägt zur beachtlichen Verlustleistung der Anoden und zum schlechten Wirkungsgrad bei:
Vermeidung unerwünschter Oszillationen Elektronenröhren funktionieren in einem sehr weiten Frequenzbereich von Gleichstrom bis etwa 2000 MHz und können deshalb bei ungeeignetem Aufbau zum ungewollten Schwingen im Hochfrequenzbereich neigen. Charakteristisch ist eine Schwingneigung nach Art der Huth-Kühn-Schaltung auf sehr hohen Frequenzen. Ob ungewollte Schwingungen entstehen, ist besonders abhängig von den Drahtlängen am Steuergitter und an der Anode (siehe Leitungstheorie): je kürzer, desto höher ist die Resonanzfrequenz. Da die Röhre mit steigender Frequenz immer schlechter verstärkt, ist irgendwann die Mindestverstärkung unterschritten und es können keine Schwingungen mehr entstehen.