Röhren-Gegentaktverstärker mit der EL 51



Zum Beginn dieser Seite erst einmal die Daten dieser Röhre, die nicht nicht nur wegen ihrer Form und ihres Aussehens, sondern auch wegen ihrer Eigenschaften besticht :


Aufgabe : Einen Gegentakt-Verstärker mit der EL 51 zu entwickeln.
Materialvorgaben : 2 x EL 51, 2 x EF 6.
Netztransformator : Möglichst einen universell einsetzbaren Typ verwenden, der ebenso für andere Verstärker, mit beispielsweise 2 x EL 34, 2 x EL 152 (= LS 50), oder 2 x EL 156 verwendbar wäre. - Von der LS 50 gibt es am Markt (Oppermann, Pollin) die kostengünstige russische Variante GU 50. Ein hübsches Spielzeug !
Weiterhin stellt sich die Aufgabe (die Frage) nach einem universellen Ausgangsübertrager, der mit allen diesen Röhren umgehen kann. Falls sich nun ein Übertrager findet, der mit allen genannten Endröhren "kann", dann wären wir sehr nahe am universellen Bausatzverstärker. Und hätten einen Verstärker mit "dicken Muskeln", viel "Spielpotential" für den Bastler und vielen weiteren Variationsmöglichkeiten.
(Ich sehe schon endlose Diskussionen zu der Frage, ob die Militär-Röhre LS 50 besser für Militärmusik und Märsche geeignet ist als die russische GU 50 - und ob die EL 156 besser die Unterhaltungsmusik überträgt. - Und erst die Frage der Ansteuerung der Endröhren! EF 86 ? P 2000 ? Oder mit ECC 82 ? - Oder die GU 50 mit dem russischen P 2000 - Pendant 12 SH 1 L ?)

Jetzt kommt die Wahl des Ausgangsübertragers.
Für einen Gegentakt-Verstärker mit 2 x EL 34 ist ein Raa von ca. 3,4 kW angegeben, für die EL 51 ist Raa = 4,9 kW.
Bei der EL 156 sind es jedoch schon ca. 8 kW,
und bei der EL 152 sind's ca. 9 kW - was etwas problematisch wäre in Hinsicht auf den universellen Ausgangsübertrager.
Also werde ich einen vorhandenen M102b-Ausgangstrafo benutzen, der für die EL 34 im 750 - 800 - Volt B-Betrieb berechnet ist. Hier ist ein Raa von ca. 10 kW gegeben. Um diesen Trafo aber an Raa von 9 - 8 - 4,8 und 3,4 kW verwenden zu können, muß er sekundärseitig verschiedene Impedanzen aufweisen können.
Wenn ich also bei einem EL 34 - Raa 10 kW für meine 4 W - Lautsprecher den 4W - Ausgang des Trafos verwenden muß, dann muß ich folglich bei einem Raa von 4,8 kW (EL 51) den 8 W-Ausgang dieses Ausgangstrafos verwenden, der Trafo sollte also einen zusätzlichen 8W-Ausgang bieten.
Kleine Differenzen spielen hierbei absolut keine Rolle, es ist so daß Pentoden - im Gegensatz zu Trioden - eine etwas geringere Leistung, aber erheblich weniger Klirrfaktor aufweisen wenn sie mit einem (in Grenzen !) niedrigeren Ra (Raa) betrieben werden.
Ich stelle deshalb hier eine Tabelle vor, worin man erkennt bei welchem primärseitigen Raa ich an - meinem vorhandenen - Ausgangstrafo meine 4 W - Lautsprecherbox anschließen kann; es sind verschiedene Lautsprecherimpedanzen erkennbar :

Sekundärwicklungen

Primär

 

4 Ohm

8 Ohm

16 Ohm

10k

Nennwerte

8

16

32

20k

 

4

8

16

10k

Normalbetrieb

2

4

8

5k

 

1

2

4

2,5k

"Nennwert" bedeutet hierbei der Nennwert des von mir verwendeten Ausgangsübertragers, der Begriff "Normalbetrieb" verdeutlicht den Trafo, im Nennwert von Raa = 10 kW betrieben.

In den Trafoberechnungsdaten, die ich am Ende dieser Seite angeben werde, werden verschiedene Ausgangsimpedanzen berücksichtigt sein.

Als Gleichrichterröhre ist die AZ 12 vorgesehen. Hierzu wird ein Widerstand von 2,5 W und 3 Watt Belastbarkeit in die Heizleitung eingesetzt, um das eine Volt an Mehrspannung des Netztrafos zu "verbraten".
Was bedeutet : Der Universal-Netztrafo sollte eigentlich eine separate 6-Volt-Wicklung vorweisen, mit jeweils einer Anzapfung bei 4 Volt und bei 5 Volt.

Als Drossel wird ein M 65-Kern verwendet, dessen Wickelkörper mit 0,35mm Cul vollgewickelt wird. Wie hoch der Henry-Wert letztendlich sein wird, muß dann noch ermittelt werden. Es ist ein Gleichstromwiderstand von ca. 15 Ohm zu erwarten - mal schauen ob ich Recht behalte mit meiner Schätzung.
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Die Prämisse bei diesem EL 51 - Verstärkerprojekt ist, mit den zwar alten und großen, aber immer noch gut erhältlichen Röhren den Verstärker aufzubauen. Alte, große Doppeltrioden sind leider nicht mehr so leicht erhältlich, deshalb stand ich vor der Aufgabe die Phasenumkehrung mit den beiden Pentoden EF 6 zu erzielen, mußte diese gleichzeitig aber auch als Vorstufe verwenden.
Das Ergebnis ist die folgende Schaltung,- hier sind die Signale, wie sie an den Röhren vorliegen, eingezeichnet.


Hier erkennt man sehr schön, wie die Phase im Eingang noch anliegt; an der Anode der ersten Vorstufenröhre ist sie gedreht, so wird sie auch in das Steuergitter der oberen EL 51 eingespeist. Die untere der beiden EL 51 benötigt aber nochmals ein phasengedrehtes Signal.
Jede Röhre dreht - wie man schon am Ein- und Ausgang der ersten Röhre erkennt, die Phase, also das Signal.
Diese Eigenschaft machte ich mir zunutze, indem ich die zweite EF 6, mit einer Verstärkung von 1, einsetzte. Wenn man eine normale Verstärkerstufe hat, dann geht die Anodenspannung runter, wenn die Gitterspannung rauf geht, das ist die Phasendrehung. Mit den 2-3 Widerständen um die zweite EF 6 in dieser Schaltung wird eine Gegenkopplung von der Anode zum Gitter durchgeführt, die die Verstärkung auf 1 reduziert.
Das verstärkte Signal von der Eingangsstufe (V=70) wird in den Eingang der zweiten Pentode - als Triode geschaltet - eingeführt, durch die erwähnte Phasendrehung innerhalb der Röhre bekomme ich an deren Ausgang das benötigte phasengedrehte Signal, welches ich der unteren EL 51 zuführe. Die endgültige Schaltung sieht - mit allen Werten - wie folgt aus :


Die EL 51-Datenbläter gehen leider immer nur von 500- und von 700-Volt-Spannungen aus, hierzu wird ein Kathodenwiderstand von 100 W für den Gegentakt-A-B-Betrieb angegeben, was hier einen Strom von 200 mA bedeuteten würde - ohne die noch weiter benötigten Ströme für die Vorstufen. Eine AZ 12 leistet, wenn sie noch neu und gut ist, 200 mA. Im Verlaufe ihres "Röhrenlebens" wird sie aber anfangen zu "schwächeln", also immer weniger dazu in der Lage sein, diese 200 mA zu liefern. Deshalb sollte - wenn ich auf dieser AZ 12 bestehen will - der benötigte Stromverbrauch geringer gehalten werden.
Wenn ich also nun die Gittervorspannung erhöhen würde (weniger negativ), dann steigt der Anodenstrom, und wenn ich sie erniedrige (mehr negativ), dann sinkt der Anodenstrom.
Wir haben jetzt 200mA bei 100 W. U = I * R, also 200 mA * 100 W = 20 Volt.
Wenn ich jetzt, sagen wir, 50 W nähme, so wäre U = I * R, also 200 mA * 50 W = 10 Volt. Also wird der Anodenstrom größer, was bedeutet ich kann die AZ 12 noch weniger verwenden.. - und anderer Strom ergibt andere Spannung, usw. usw. usw.

Wir wissen aber einiges, was uns weiterhilft:
1) EL51 ist eine Pentode, die im Allgemeinen nur wenig auf die Veränderung der Anodenspannung reagieren, d.h. der Strom ist bei 500 Volt kaum größer als bei 300 Volt. Das machte Pentoden so beliebt, weil die Gesetze mit der Steilheit so toll funktionieren ..
Ok, schauen wir mal bei 750 Volt Klasse B, da geben die Röhrenhersteller in den Datenblättern den Ruhestrom mit 2 x 40mA und Gittervorspannung - 40Volt an.
Also, wie groß müßte dafür dann der Kathodenwiderstand sein ? : R = U / I, also 40 Volt / 80 mA = 500 W.
Nun sind aber 40 mA etwas wenig, wir könnten uns sicherlich 60 mA leisten : 2 x 60 mA Anodenstrom und 2 x 20 mA Schirmgitterstrom = 160 mA.
Wenn die Röhre bei 20 Volt 80 mA fließen läßt und bei 40 Volt nur 40 mA, dann wäre der Mittelwert 30 Volt bei 60 mA sicher geeignet : R = U / I, diesmal 30 Volt / 120 mA = 250 W für den Kathodenwiderstand.
Übrigens könnten wir auch die Steilheit zuhilfe nehmen : 80 mA haben wir, wollen runter auf 60 mA, also -20 mA.
I = Ug1 * S, wird umgekehrt zu I / S = Ug1, na ich rechne mal - 20mA / 2,1 mA/V = -9,5 Volt, das heißt, wir müssen die Gittervorspannung von -20 auf -20 + (-9,5) = -29,5 Volt erhöhen. Was zu beweisen war.
So eine Prüfrechnung beseitigt manchmal jeden Zweifel (oder auch Glauben).




Die nebenstehenden Schaltungsauszüge sollen den Zusammenhang zwischen der Steilheit einer Röhre und der Phasenlagen darstellen, ausgehend am Beispiel einer Triode mit einer angenommenen Steilheit von 1 mA/Volt.
- Hier zunächst der Ruhezustand, ohne Eingangssignal. Es fließt ein Anodenstrom von 1 mA




Im zweiten Schaltbeispiel wurde die Röhre mit 0,5 Volt positiv angesteuert. Man erkennt: wegen der Steilheit wächst der Anodenstrom um 0,5 Volt x 1mA/Volt {Steilheit} = 0,5 mA.
Zusammen mit dem Ruhestrom von 1 mA wächstt der Anodenstrom also auf 1,5 mA.
(1,5 mA x 100 kW = 150 Volt Spannungsabfall am Anodenwiderstand, es verbleiben 50 Volt an der Röhre. - Formel U = I x R)





Im dritten Bild Im dritten Bild wird das Gitter negativ mit 0,5 Volt angesteuert. Diesmal fällt der Anodenstrom um -0,5V x 1mA / Volt {Steilheit} = -0,5 mA. Der Anodenstrom wird also 1 mA - 0,5 mA = 0,5 mA.
(0,5 mA x 100 kW = 50 Volt Spannungsabfall am Anodenwiderstand, = 200 V {Anodenspannung} - 50 Volt = 150 Volt.)




Hier der Chassis-Entwurf zu diesem Verstärker; es besteht aus Duraluminium, welches optisch einen matt-silbrigen Glanz hat. Die gold-gelb eingezeichnete Platte ist eine Platte aus Messing, leicht gebürstet und mit Kunststofflack versiegelt.



Nun endlich komme ich zur Berechnung des Ausgangsübertragers.
Als unterste Grenzfrequenz möchte ich 30 Hz (Fu). Daraus errechnet sich ein Eisenquerschnitt von (Fe). Die Ausgangsleistung soll 50 Watt betragen (P).


Das entspricht einem Kern M 102 b.
Ich rechne bei diesem Kern mit 2,3 Wdg./Volt. Bei einer Anodenspannung von 300 Volt mal 90 % = 270 Volt pro Röhre = 540 Volt Wechselspannung für beide Röhren mal 2,3 Wdg./Volt ist gleich 1242 Wdg. - und hiervon gehen nun alle weiteren Berechnungen aus.
Rechne ich für die EL 51 einen Raa von 4,9 kW, so muß ich für meine 4-Ohm-Wicklung rechnen : 4900 (W) / 4 (W) = 1200, hiervon die Wurzel, ergibt ein Übersetzungsverhältnis von 35.
1242 (Wdg.) / 35 = 35,5. - Ich müsste also 35,5 = 36 Windungen aufbringen, um eine 4-Ohm-Anpassung bei einem Raa von 4,9 kW zu erhalten.
Da mein Übertrager aber universell sein soll, ich auch eine EL 156 einsetzen will, die einen Raa von ca. 8 kW vorweist - und auch eine EL 152 mit einem Raa von 10 kW, nehme ich hier einfach den Mittelwert von ca. 8,8 kW. Dem nicht genug : Es soll ja auch eine EL 34 anschließbar sein, die wiederum einen Raa von 3,4 kW...
Also bin ich gezwungen "das Pferd vom Schwanz her aufzuzäumen".
Ich gehe von Anfang an von einem Raa von 8,8 kW aus. Somit habe ich eine Primärwicklung als Ausgangssituation - von diesem Wert aus muß ich nun die Sekundärwicklungen für 4 - 8 - 16 W berechnen, dieses aber gleich 3 mal - für den 8,8 kW, den 4,9 kW und dem 3,6 kW - Wert. Daraus werde ich dann den jeweiligen Mittelwert nehmen für die drei Ausgangsimpedanzen 4. 8 und 16 W.

Ich berechne als Beispiel für einen Raa von 8,8 kW die 16-Ohm-Wicklung.
8800 / 16 = 550 Ö = 23,65; 1242 / 23,65 = 53 Wdg. / 16 W.
Und jetzt die 8 W - Wicklung:
880 / 8 = 1100 Ö = 33,16; 1242 / 37,45 = 38 Wdg.
Und jetzt die 4 W - Wicklung:
8800 / 4 = 2200 Ö = 46,90; 1242 / 26,48 = 27 Wdg.

Dieses alles noch einmal für einen Raa von 4,9 k W (EL 51) berechnet, ergeben bei 16 W 57 Wdg., bei 8 W sind es 41 Wdg. und bei 4 W sind es dann 29 Wdg.
Und zum Schluß noch die Berechnungen für den Raa von 3,6 kW (EL 34); hier muß für die 16 W - Wicklung 67 Wdg., für 8 W 47 Wdg. und für 4 W 33 Wdg. gewickelt werden.
Aus diesen Berechnungen ermittle ich nun den Durchschnittswert :

Raa

Durchschn.-

Wert:

 

8,8

4,9

3,6

16

43

57

67

55 Wdg.

8

30

41

47

39 Wdg.

4

22

29

33

27 Wdg.


Ich muß nun, im Endergebnis, eine Wicklung mit insgesamt 55 Windungen aufbringen, mit einer Anzapfung bei der 27. Windung und einer weiteren Anzapfung bei der 39. Windung.

Nun komme ich zu der Berechnung der Drahtstärke : Ausgehend von ca. 50 Watt benötige ich für die Sekundärwicklung eine Drahtstärke von 1,2 mm. Ausgehen von einem Anodenstrom von 200 mA benötige ich für die Primärwicklung eine Drahtstärke von 0,3 mm.
Diese errechnete Drahtstärke ist aber nur der jeweilige "Roh"-Kupferdraht-Durchmesser, ohne Lacküberzug. Deshalb muß man noch jeweils ca. 10 % dazurechnen; der Primärwicklungsdraht wird also ein 1,3 mm dicker Draht sein, der 0,3 mm Draht ein 0,33er Draht.
Der Wickelraum hat eine Größe von 13,5 mm Höhe und 61 mm Breite. Laut Tabellen benötige ich - nur für den Draht - eine Höhe von 8,5 mm, es verbleibt eine Resthöhe von 5 mm für die Isolationslagen. - Das hört sich nach "reichlich viel" an - da der Ausgangsübertrager aber verschachtelt gewickelt werden muß, kann es doch noch etwas eng werden... :


Die Wicklungen werden in der gleichen Reihenfolge - wie auf der Skizze von oben nach unten - gewickelt.

Die gesamte Primärwicklung - auf der Skizze nach links herausgeführt - muß 2 x gewickelt werden, der Anfang der ersten Wicklung wird mit dem Anfang der zweiten Wicklung verbunden, der Mittelabgriff der ersten mit dem Mittelabgriff der zweiten und das Wicklungsende der ersten mit dem Ende der zweiten Wicklung verbunden. - Die Drahtstärke wird jeweils in der halben Stärke gewickelt, also mit jeweils 0,16 mm. Es werden beide Primärwicklungen parallel geschaltet, wie man auf der Skizze erkennt.
Ähnlich wird die Sekundärwicklungen aufgeteilt - hier wird sie jedoch in drei gleiche Wicklungen gewickelt.
Als erste Wicklung auf dem Trafo-Wickelkörper (!!) wird (in der Skizze nach rechts herausgeführt) eine gesamte komplette Sekundärwicklung - komplett mit allen Anzapfungen für 4, 8 und 16 W   - gewickelt, danach wird die erste Primärwicklung komplett aufgebracht, dann die zweite Sekundärwicklung, hiernach die zweite Primärwicklung und zum Abschluß die dritte und letzte Sekundärwicklung.
Auch hier wird der Draht wieder in der Drahtstärke aufgeteilt, diesesmal logischerweise in drei gleiche stärken, es ist nun ein 0,42 mm-Draht. - Und auch hier werden alle drei Primärwicklungen parallelgeschaltet !

Zur besseren Verdeutlichung habe ich noch eine weitere - stark vereinfachte - Skizze gezeichnet, ohne Mittelabgriff der beiden Primärwicklungen sowie ohne 4W und 8W - Abgriffe an den drei Sekundärwicklungen. Hier erkennt man leicht, wie die Wicklungen parallelgeschaltet werden.



Die Berechnungen des Netztransformators erspare ich mir hier; er kann leicht mit Hilfe der Excel-Tabellen auf meiner Seite "Netztransformator & Drosseln - selbstgewickelt" berechnet werden - man kann ihn aber auch - über mich - fertig gewickelt bestellen. (Ein Freund von mir hat einen "heißen Draht" zu einem Trafowickler...)
Ein Foto eines solchen Netztrafos sieht man auf meiner Seite "Flohmarkt"; ich habe genau diesen Netztrafo verwendet.

Wird fortgesetzt...

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Einen weiteren EL-51-Verstärker, den 60-Watt-Gegentakt-Mischpultverstärker "Diwefon" fand ich in der Funk-Technik, Heft 4/1953. Dieser Verstärker wurde vom Altmeister persönlich, vom Werner W. Diefenbach, entwickelt.




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