Pentoden-SE mit der Röhre 5B/110M, Kapitel 2
von Frank Kneifel


Ich habe mich immer gefragt, warum eine Triodenschaltung "schlechter" klingen soll wie eine Pentodenschaltung. Die Aussagen wie "eine Triode hat einen geringeren Innenwiderstand" haben mich nicht zufrieden gestellt. In der Theorie war aus den Kennlinien ein gleichwertiges Ergebnis zu Trioden zu erkennen. Warum also sollte ein Pentodenverstärker ein schlechteres Ergebnis als ein Triodenverstärker bringen.
In der Planung wird von einem linearen Abschlusswiderstand ausgegangen. Ein Lautsprecher ist aber alles anderes als ein linearer Widerstand. Also habe ich ein paar Messungen an einem Widerstand und dann an einem Lautsprecher vorgenommen.

Hier noch mal der Schaltplan des Verstärkers.


Zur unterschiedlichen Bewertung von "ohne Gegenkopplung mit Gegenkopplung" wurde eine abschaltbare Gegenkopplung eingefügt.
Um bei abschaltbarer Gegenkopplung auf gleiche Verstärkung zu kommen, wird ein Widerstand in die Eingangsleitung vor dem Eingangspoti geschaltet.
Kontrollmessungen haben ergeben, dass die Endstufe in beiden Fällen (Gegenkopplung an - Gegenkopplung aus) die gleiche Verstärkung hat.
Der Vorwiderstand R9 hat die gleiche Abschwächung wie die Gegenkopplung. Geprüft bei verschiedenen Potistellungen von P1.

Nun zu den Messungen, ich habe dabei immer den geringen Eingangswiderstand von ca. 20k der Messkarte beachtet.

Messung 1, Frequenzgang:
Am Ausgang liegt ein Messwiderstand von 8. Der Pegel ist so eingestellt, dass 8Vss (entspricht 1W an 8) am Ausgang anliegen. Alle Messungen erfolgen bei gleicher Potistellung.

Messung des Frequenzganges ohne Gegenkopplung.



Die blaue Linie ist der Frequenzgang, die rote Linie die Phase.
Der Frequenzgang läuft ab ca. 200Hz bis 20kHz wie von einem Lineal gezogen.
Der untere -3dB-Punkt liegt bei ca. 40Hz. Der Pegel fällt gleichmäßig mit ca. 6dB/Oktave ab.

Messung des Frequenzganges mit Gegenkopplung.



Der untere -3dB-Punkt liegt mit Gegenkopplung bei ca. 30Hz. Der Pegel fällt dann mit ca. 9dB/Oktave ab.
Hier ist der Frequenzgang von 80Hz bis 20kHz sehr linear.

Messung 2, Klirrfaktor 1kHz:
Der Klirrfaktor wird üblicherweise bei 1kHz gemessen. Die Messung wurde zum Vergleich von mir gemacht. Immer noch bei einem Ausgangspegel von 8Vss.

Messung des Klirrfaktors bei 1kHz ohne Gegenkopplung.



Der k2 beträgt ohne Gegenkopplung 0,638%, der k3 beträgt 1,505%, THD (Total Harmonic Distortion) beträgt 1,704%

Messung des Klirrfaktors bei 1kHz mit Gegenkopplung.



Der k2 beträgt mit Gegenkopplung 0,306%, der k3 beträgt 0,984%, THD beträgt 1,078%
Mit der Gegenkopplung kann der Klirrfaktor fast halbiert werden.

Dass diese Klirrfaktorangabe bei 1kHz nur einen unzureichenden Überblick über die Qualität widerspiegelt, werden die nachfolgenden Messungen belegen.

Messung 3, Klirrspektrumanalyse:
Hierbei werden die Klirrfaktoren über das ganze Frequenzband gemessen

Messung des Klirrspektrums ohne Gegenkopplung.



Die blaue Linie gibt das K2-Spektrum, die magenta Linie das K3-Spektrum wieder.
Erwartungsgemäß ist das Klirrspektrum relativ hoch aber sehr gleichmäßig. Bei ca. 8kHz geht der K2-Anteil auf fast nicht mehr messbare Werte zurück.
Der steigende K2-Anteil zu tiefen Frequenzen macht sich in der Wiedergabe nicht störend bemerkbar. Hier reagiert das menschlich Ohr relativ unempfindlich auf den Klirrfaktor.

Messung des Klirrspektrums mit Gegenkopplung.



Mit Gegenkopplung ist das Klirrspektrum geringer und immer noch gleichmäßig, auch hier ist die Klirrabfall bei 8kHz zu beobachten.

Zusammengefasst ergibt sich, dass der Verstärker ohne und mit Gegenkopplung relativ linear und gleichmäßig arbeitet. Mit der Gegenkopplung kann der Klirr über den ganzen Frequenzbereich vermindert werden.

Ein Verstärker arbeitet im Regelfall nicht an einer linearen Last. Deshalb wurden die Messungen an einem Breitbandlautsprecher in einer Bassreflexbox (Bauvorschlag CT193 aus Klang&Ton) wiederholt.

Hier erst mal der Impedanzverlauf der Lautsprecherbox.



Das Impedanzmaximum bei 40Hz ist die Tuningfrequenz der Bassreflexöffnung, das Impedanzmaximum bei 90Hz ist die Einbauresonanzfrequenz des Lautsprecherschassis.
Der Impedanzanstieg zwischen 400 und 1,5kHz kommt durch das Frequenzgangkorrekturglied. Ohne dieses Korrekturglied hätte die Lautsprecherbox eine Überbetonung im Mitteltonbereich.
Ab 5kHz fängt die Schwingspuleninduktivität an zu wirken.

Als erstes erfolgt mal wieder die Frequenzgangmessung.
Messung 4, Frequenzgang an komplexer Last:
Der Pegel bei den folgenden Messungen ist immer noch so eingestellt, dass an 8 Last 8Vss abfallen.

Frequenzgang des Verstärkers ohne Gegenkopplung.



Die blaue Linie ist der Frequenzgang, die rote Linie die Phase.
Es wird hier nicht der Lautsprecher gemessen, die Messung erfolgt am Ausgang des Verstärkers. Die blaue Linie gibt die Ausgangsspannung des Verstärkers an einem Lautsprecher wieder.
Man kann hier gut erkennen, dass der Ausgangspegel im gewissen Grad dem Impedanzverlauf folgt und alles andere als linear ist. Der Verstärker gibt den Hochtonbereich gut sichtbar höhenbetont wieder.

Frequenzgang des Verstärkers mit Gegenkopplung.



Die Gegenkopplung schafft es in gewissen Rahmen den Einflüssen des Lautsprechers entgegenzuwirken. Aber auch hier ist noch der Impedanzverlauf wiederzuerkennen.

Eine Klirrfaktormessung bei 1kHz führe ich hier jetzt nicht auf, da keine aussagekräftigen Ergebnisse rauskommen.
Ich gehe gleich zum Klirrspektrum über. Bitte gut festhalten.

Messung 5, Klirrspektrumanalyse an komplexer Last:

Klirrspektrum ohne Gegenkopplung.



Das Klirrspektrum bei k2 geht ab 400Hz stark nach oben. Im Vergleich zum Impedanzverlauf ist auch hier eine Parallele zu erkennen.
Unter 100Hz sind die beiden Impedanzmaxima gut an den beiden Klirrspitzen zu erkennen.
Zu bemerken ist auch, dass bei der kleinsten Impedanz der geringste Klirr vorliegt.
k2 hat bei gleichen Einstellungen die 10%-Marke bei 800Hz überschritten.

Klirrspektrum mit Gegenkopplung.



Das Klirrspektrum ist bedeutend niedriger. Die Gegenkopplung kann so einiges ausbügeln.
Es sind im k2-Spektrum immer noch Parallelen zum Impedanzverlauf zu erkennen. Das allgemeine Klirrspektrum des Verstärkers ist höher als an einem linearen Messwiderstand ohne Gegenkopplung.
Zu Bemerken ist auch in diesem Fall, dass der geringste k2 bei der geringsten Impedanz vorliegt.

Warum tritt dieses Verhalten so auf?
Dafür schaue ich mir noch mal das Diagramm der 5B/110M zur Ermittlung der Arbeitsgeraden genau an.



Im Ruhezustand liegt ein Ug = -5V am Gitter der Penthode und es fällt eine Spannung von Ua = 235V an ihr ab.
Verkleinert sich die Gitterspannung auf Ug = -4V, fällt eine Spannung von Ua = 200V ab
Vergrößert sich die Gitterspannung auf Ug = -6V, fällt eine Spannung von Ua = 270V ab
Eine Gitterspannungsänderung von 1V verursacht eine Spannungsänderung von 35V an der Penthode in beide Richtungen. Die Penthode arbeitet linear.

Verkleinert sich die Gitterspannung auf Ug = -2V, fällt eine Spannung von Ua = 130V ab.
Vergrößert sich die Gitterspannung auf Ug = -8V, fällt eine Spannung von Ua = 335V ab
Eine Gitterspannungsänderung von -5V auf -2V verursacht eine Spannungsänderung von 105V.
Eine Gitterspannungsänderung von -5V auf -8V verursacht eine Spannungsänderung von 100V.
Es findet eine, wenn auch kleine, Unsymmetrie in der Aussteuerung statt. Der Klirr ist damit bei 3V Aussteuerung etwas größer als mit 1V Aussteuerung.

Die Arbeitsgerade, anhand diese Daten ermittelt wurde, bezieht sich auf den Widerstand des Lautsprechers, der vom Übertrager hochtransformiert wird.
Durch das Übersetzungsverhältnis von ü = 25,5 werden die 8 auf 5200 hochtransformiert.
Da aber ein Lautsprecher keinen gleichbleibenden Widerstand hat, betrachte ich das noch mal anhand des Impedanzverlaufs des Lautsprechers.



Bei 1,5kHz hat der Lautsprecher einen Widerstand von 20.
Der Übertrager transformiert diese 20 auf 13000 hoch. Dieser Punkt wird jetzt zur weiteren Analyse genommen.

Ich betrachte mir die Penthode als nächstes bei einer Arbeitsgerade bei 13000 und vorgegeben Arbeitspunkt (Ua = 235V, Ia = 45mA). Dieser wird durch den Kathodenwiderstand bestimmt.
Im Diagramm habe ich eine Arbeitsgerade bei Ra = 13keingezeichnet.



Im Ruhezustand liegt ein Ug = -5V am Gitter der Penthode und es fällt eine Spannung von 235V an ihr ab.
Verkleinert sich die Gitterspannung auf Ug = -4V, fällt eine Spannung von Ua = 160V ab.
Vergrößert sich die Gitterspannung auf Ug = -6V, fällt eine Spannung von Ua = 315V ab.
Eine Gitterspannungsänderung von -5V auf -4V verursacht eine Spannungsänderung von 75V.
Eine Gitterspannungsänderung von -5V auf -6V verursacht eine Spannungsänderung von 80V.
Es findet eine, wenn auch kleine, Unsymmetrie in der Aussteuerung statt.

Die Kennlinie ist für Ug = -8V schon außerhalb des Erfassungsbereiches und kann nicht mehr ermittelt werden.
Ersichtlich ist aber, dass bei einem Ra = 13k schon mit 1V Ansteuerspannung die Penthode fast so hoch ausgesteuert wird wie bei einem Ra = 5,2k und 3V Ansteuerspannung.
Daraus erklärt sich an der Penthodenschaltung ohne Gegenkopplung der dem Impedanzverlauf folgende Ausgangspegel. Bei geringer Impedanz habe ich einen kleinen Ausgangspegel, bei hoher Impedanz habe ich einen hohen Ausgangspegel.
Bei höherem Ausgangspegel habe ich aber zugleich auch höhere Verzerrungen.

Zusammengefasst ist jetzt klar, warum dieser Lautsprecher an einer Penthodenschaltung ohne Gegenkopplung nur "dünn" klingen kann. Zu höheren Frequenzen hin steigt die Impedanz und somit die Ausgangsspannung. Mit steigender Impedanz spielt der Lautsprecher lauter.
Die nächste Problematik, die sich zeigt, die Penthode wird bei normaler Ansteuerung mit 3V an einem 8-Lastwiderstand noch in ihrem relativ linearen Bereich arbeiten. An einem Lautsprecher aber mit schwankender Impedanz wird z.B. bei Frequenz f = 1,5kHz und Impedanz Z = 20 die Penthode in die Aussteuergrenze getrieben. Die Verzerrungen nehmen um ein Vielfaches zu.
Jeder Lautsprecher klingt wegen seines Impedanzverlaufes an dieser Endstufe anders.
Ein Lautsprecher mit einem relativ linearen Impedanzverlauf bringt die natürlichste Wiedergabe an dieser Endstufe.
Eine Gegenkopplung kann zwar dem Rückwärtseinfluss des Impedanzverlaufes entgegenwirken, ein Einfluss der schwankenden Impedanz ist aber trotz der Gegenkopplung noch gut in der Ausgangspegel- und der Klirrspektrummessung zu erkennen.

Eine Impedanzlinearisierung des Lautsprechers und weitere Messungen sollen weitere Aufschlüsse bringen.

Der Lautsprecher ist mit einem RCL- und zwei RC-Netzwerken linearisiert.
Dieses Netzwerk wird dem Lautsprecher parallel geschaltet.
      
Es ergibt sich daraus ein relativ linearer Impedanzverlauf.



Nun zu den Messungen.

Messung 6, Frequenzgang mit Impedanzkorrektur:
Der Pegel bei den folgenden Messungen ist immer noch so eingestellt, dass an 8 Last 8Vss abfallen.

Frequenzgang des Verstärkers ohne Gegenkopplung.



Die blaue Linie ist der Frequenzgang, die rote Linie die Phase.
Es wird hier nicht der Lautsprecher gemessen, die Messung erfolgt am Ausgang des Verstärkers. Die blaue Linie gibt die Ausgangsspannung des Verstärkers an einem Lautsprecher wieder.
Der Verlauf der Ausgangsspannung ist hier schon bedeutend linearer als bei der Messung ohne Impedanzkorrektur. Der Ausgangspegel fällt um ca. 4dB bei 200Hz ab und ist ab 500Hz im Mittel einer Schwankung von ca. 2dB unterworfen. Das liegt schon an der Wahrnehmbarkeitsgrenze des menschlichen Gehörs.
Es ist eine relativ neutrale Wiedergabe selbst ohne Gegenkopplung möglich.
Die höhere Impedanz bei 100Hz bewirkt sogar eine Anhebung des Ausgangspegels, wo am Messwiderstand ein deutlich stärkerer Abfall zu erkennen ist.
In dieser Kombination Lautsprecher + Verstärker kann durch geschicktes Ausnutzen der Impedanzschwankung eine tiefere Grenzfrequenz des Verstärkers auch ohne Gegenkopplung erreicht werden.
Im Vergleich ist, bis auf den Pegelabfall um 200Hz, ein größerer Wiedergabebereich wie an einem Messwiderstand gegeben.
Mit einem anderen Lautsprecher kann das aber wieder ganz anders aussehen.

Frequenzgang des Verstärkers mit Gegenkopplung.



Der Ausgangspegel schwankt bei 50 bis 20kHz unter 2dB. Der Frequenzgang schwankt nur noch in einem Bereich, der so gut wie nicht wahrgenommen wird.
Die Gegenkopplung braucht nur geringfügig einzugreifen.

Messung 5, Klirrspektrumanalyse an impedanzkorrigierter komplexer Last:

Klirrspektrum ohne Gegenkopplung.



Das Klirrspektrum ist zwar Schwankungen unterworfen, im Mittel ist es aber geringer wie der Verstärker mit Gegenkopplung und ohne Impedanzkorrekturglied.
Die Impedanzkorrektur hat in diesem Fall eine bessere Wirkung wie die Gegenkopplung alleine.

Klirrspektrum mit Gegenkopplung.



Das Klirrspektrum konnte mit Impedanzliniearisierung und Gegenkopplung weiter verringert werden, schwankt aber noch erkennbar mit dem Impedanzverlauf.
Im Mittel ist das Klirrspektrum aber bedeutend geringer wie mit Gegenkopplung und ohne Impedanzkorrektur.

Fazit:
Die Wiedergabequalität einer Penthodenschaltung ist stark von dem angeschlossenen Lautsprecher abhängig. Der Impedanzverlauf des Lautsprechers nimmt starken Rückwärtseinfluss auf das Arbeitsverhalten der Penthode.
Ohne Gegenkopplung sollte kein Penthodenverstärker arbeiten. Ist der Impedanzverlauf des Lautsprechers nicht nahezu 100%tig gerade, ist das Wiedergabeergebnis ein reines Glücksspiel.
Ein impedanzlinearisierter Lautsprecher bringt in diesem Beispiel bessere Ergebnisse wie eine Über-alles-Gegenkopplung an dem unlinearisierten Lautsprecher.
Eine Lautsprecherbox für verschiedene Röhrenverstärker sollte deshalb einen möglichst linearen Impedanzverlauf haben.
Man könnte auch mit einer stärkeren Gegenkopplung arbeiten. Eine Gegenkopplung leitet das Ausgangssignal zum Eingang zurück und regelt damit die Unlinearitäten aus. Aber wie heißt es so schön "eine Gegenkopplung kommt immer zu spät". Es wird auch eine höhere Verstärkung in der Vorstufe benötigt. Da wird aber eine Röhre mit höherer Verstärkung benötigt oder aber eine weitere Stufe. Dadurch besteht die Gefahr, dass man sich noch mehr Unlinearitäten einfängt, die durch die Gegenkopplung wieder ausgebügelt werden müssen.
Also warum etwas entgegenwirken, was durch eine Impedanzlinearisierung vermieden werden kann. Durch die Impedanzlinearisierung kann der Pentode Bedingungen geschaffen werden, dass sie ähnliche Ergebnisse wie eine Triode liefern kann, selbst ohne Gegenkopplung.

Nimmt man die hier zusammengefassten Ergebnisse und überträgt sie z.B. auf eine PP-Endstufe in Pentodenschaltung und AB-Betrieb, so kommen mir starke Bedenken.
Entweder stimmt man die Endstufe auf den B-Betrieb ab, so hat man zwar eine Fehlanpassung im A-Betrieb, die sich bei der Pentodenschaltung aber nicht mit stärkeren Verzerrungen bemerkbar macht, man hat aber eine geringe Ausgangsleistung.
Bei normaler Abstimmung aber hat man im B-Betrieb eine hohe Fehlanpassung und ohne Gegenkopplung starke Verzerrungen und einen unlineare Wiedergabe. Also muss hier eine starke Gegenkopplung eingesetzt werden.

Bei fester Verstärker-Lautsprecher-Kombination kann aber durch geschicktes Ausnutzen des Impedanzverlaufes des Lautsprechers das Übertragungsverhalten der Verstärker-Lautsprecher-Kombination verbessert werden. Fällt der Verstärker z.B. ab 100Hz im Pegel schon ab und der Lautsprecher hat einen Impedanzanstieg bei dieser Frequenz (der eine Ausgangspegelanhebung im Verstärker verursacht) so heben sich die beiden zum Teil gegeneinander auf. Die Kombination kommt dann ohne Eingriff der Gegenkopplung in tiefere Bereiche.

Die in einigen Foren häufig gestellte Frage "Wie klingt die Röhrenendstufe XYZ denn?" , ergibt bei diesen Ergebnissen, dass sie nicht zufriedenstellend beantwortet werden kann.
Die Frage kann erst beantwortet werden, wenn der Lautsprecher mit einbezogen wird.

Die Anhänger der Triodenfraktion werden evtl. in Jubel ausbrechen. Eine Überanpassung minimiert sogar die Verzerrungen bei Trioden. Aber wie sieht es bei Unteranpassung aus? Das aber kann sich jeder ja selber mal anschauen.

Kurzgefasst arbeitet eine Pentodenschaltung an einem optimal impedanzlinearisierten Lautsprecher genauso gut wie eine Triodenschaltung. Auch hier kann, wenn gewollt, ohne Gegenkopplung gearbeitet werden wenn der Lautsprecher als beeinflussendes Glied mit einbezogen wird.

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