Röhrenverstärker

Ein Röhrenverstärker verstärkt mit Elektronenröhren: In einem luftleeren Glaskolben gibt eine geheizte Kathode Elektronen ab, die zur positiv geladenen Anode fliegen; ein Gitter dazwischen steuert diesen Strom mit kleiner Spannung. Weil Röhren hohe Spannungen bei kleinen Strömen liefern, Lautsprecher aber das Gegenteil verlangen, sitzt zwischen Ausgangsstufe und Klemmen fast immer ein Ausgangsübertrager — und dieses Bauteil prägt die Eigenschaften der Bauart stärker als die Röhre selbst.

Ausführliche Erklärung

Was in der Röhre geschieht

Der Heizfaden bringt die Kathode auf Betriebstemperatur, bis sie Elektronen abgibt. Diese Elektronen wandern durch das Vakuum zur Anode, an der einige hundert Volt anliegen. Zwischen beiden sitzt ein feines Drahtgitter: Wird es negativer, hält es Elektronen zurück und der Anodenstrom sinkt; wird es weniger negativ, steigt er. Eine kleine Spannungsänderung am Gitter steuert so eine große am Anodenwiderstand — das ist die Verstärkung.

Zwei Bauformen bestimmen den Ton der Geräte. Die Triode mit einem Gitter ist die linearste und zugleich die verschwenderischste; Pentode und Beam-Tetrode setzen mit zusätzlichen Gittern mehr Leistung um, weichen dabei aber stärker von der geraden Kennlinie ab. Rod Elliott von Elliott Sound Products nennt für eine Trioden-Gegentaktstufe an 350 Volt rund zwei Prozent Klirrfaktor und erinnert daran, dass das Radiotron Designer's Handbook seinerzeit 2,5 Prozent für Trioden und 2 Prozent für Pentoden als Grenze des Störenden angesetzt hat. Beides liegt um Größenordnungen über dem, was heutige Halbleiterendstufen erreichen.

Der Heizfaden kostet Strom, der vollständig zu Wärme wird, und die Ausgangsstufe arbeitet mit hohem Ruhestrom. Ein Röhrenverstärker ist deshalb ein Heizgerät mit Nebenfunktion — was in der Aufstellungsplanung mehr Folgen hat als in der Stromrechnung.

Der Ausgangsübertrager ist die eigentliche Bauartentscheidung

Eine Endröhre möchte eine Last von einigen tausend Ohm sehen, ein Lautsprecher hat vier oder acht. Diese Anpassung leistet der Ausgangsübertrager: Zwei Wicklungen auf einem gemeinsamen Kern wandeln die Impedanz im Quadrat des Windungsverhältnisses, wie beim Übertrager im Lautsprecher beschrieben.

Daraus folgt die Beschriftung am Anschlussfeld. Wo ein Halbleitergerät schlicht ein Klemmenpaar hat, bietet die Röhrenendstufe getrennte Anschlüsse für vier, acht und manchmal sechzehn Ohm an. Das ist eine Voraussetzung und keine Empfehlung: Der Übertrager rechnet die angeschlossene Impedanz auf die Anodenlast hoch, und an der falschen Anzapfung sieht die Endröhre eine Last, für die sie nicht ausgelegt ist. Warum die Impedanz eines Lautsprechers dabei ohnehin keine feste Zahl ist, steht bei Impedanz.

Der Übertrager setzt auch die Grenzen nach oben und unten. Elliott beschreibt, was Gleichstrom in den Wicklungen anrichtet — der Kern geht in die Sättigung, ein Luftspalt muss dagegenhalten, das senkt die Induktivität und erhöht die Streuinduktivität, was größere Kerne und mehr Windungen nötig macht. Im Eintaktbetrieb fließt dieser Gleichstrom zwangsläufig, im Gegentaktbetrieb heben sich die Anteile beider Hälften weitgehend auf. Das ist der technische Grund, warum große Röhrenendstufen fast immer Gegentaktstufen sind und warum ein Übertrager, der bis in den Tiefbass und bis an das obere Ende des Hörbereichs sauber arbeitet, ein teures Bauteil bleibt.

Und er begrenzt die Fehlerkorrektur. Jede Gegenkopplung führt einen Teil des Ausgangssignals an den Eingang zurück; die Phasendrehung des Übertragers verschiebt dieses Signal aber, und ab einem gewissen Maß schwingt die Schaltung. Röhrenendstufen konnten deshalb nie so kräftig gegengekoppelt werden wie Halbleitergeräte — was mit der hohen Ausgangsimpedanz zusammen dem Lautsprecher, wie Elliott es formuliert, Spielraum für sein Eigenverhalten lässt.

Was die hohe Ausgangsimpedanz am Lautsprecher anrichtet

Der Dämpfungsfaktor ist das Verhältnis von Last- zu Quellimpedanz. Selbst gute Trioden-Ausgangsstufen kommen laut Elliott auf Ausgangsimpedanzen um zwei Ohm — an einer Acht-Ohm-Box also auf einen Dämpfungsfaktor um vier, wo Halbleitergeräte dreistellige Werte angeben. Die Endstufe bremst das Nachschwingen der Membran entsprechend weniger.

Die hörbarere Folge ist eine andere, und sie wird oft übersehen. Weil die Quellimpedanz nicht mehr klein gegen die Last ist, bilden beide einen Spannungsteiler, dessen Verhältnis sich mit der Frequenz ändert: Wo die Lautsprecherimpedanz hoch ist — an der Bassresonanz, oft auch im Hochton — kommt mehr Spannung an, wo sie einbricht, weniger. Der Frequenzgang folgt damit dem Impedanzverlauf der angeschlossenen Box. Elliott hält dazu fest, dass genau dieser Effekt häufig als „besser" empfunden wird, dem Hörer die Abweichung von der geraden Wiedergabe dabei aber nicht bewusst ist. Derselbe Verstärker klingt an zwei verschiedenen Lautsprechern deshalb unterschiedlich weit von neutral entfernt — die Paarung ist hier keine Geschmacksfrage am Rande, sondern die zentrale Planungsentscheidung.

Leistung, Wärme und Verschleiß

Die Ausgangsleistungen sind klein. Elliott nennt als Beispiele sieben Watt für eine Eintaktstufe mit der 300B und dreißig Watt für eine Gegentaktstufe mit KT88 — Größenordnungen, die den Lautsprecher vorgeben, nicht umgekehrt. Wie sich daraus Pegel im Raum ergibt, führen Wirkungsgrad und Kennschalldruckpegel und Verstärkerleistung vor.

Die Röhren selbst sind Verschleißteile. Die Kathode gibt mit den Betriebsstunden weniger Elektronen ab, der Arbeitspunkt wandert, und Endröhren werden nach einigen tausend Stunden gewechselt. Bei fest eingestelltem Ruhestrom gehört danach eine Messung und Nachstellung dazu; Schaltungen mit Kathodenwiderstand stellen sich in Grenzen selbst nach. Wer Ersatzröhren als „gematchtes Paar" kauft, sollte laut Elliott fragen, unter welchen Bedingungen gemessen wurde — ohne Angabe von Spannung und Ruhestrom ist die Auswahl kaum belastbar.

Ein schwaches blaues Leuchten an der Glaswand ist dabei normale Fluoreszenz. Ein blauvioletter Schimmer innerhalb der Anode und eine sich braun verfärbende Getterschicht zeigen dagegen an, dass die Röhre Gas gezogen hat und ausfällt.

Ohne Last darf keine Aussteuerung stattfinden

Röhrenendstufen sind nach Elliott gegen den Betrieb ohne angeschlossene Last vollkommen unduldsam. Der Grund liegt im Übertrager: Seine Primärwicklung ist eine Induktivität, und wird der Strom durch sie unterbrochen, ohne dass eine Last die Energie aufnimmt, entstehen Spannungsspitzen weit über der Betriebsspannung. Sie schlagen durch die Isolation der Wicklung oder zerstören die Endröhre.

Praktisch heißt das: Lautsprecher anschließen, bevor eingeschaltet wird, und Umstecken nur am ausgeschalteten Gerät. Ein Röhrengerät verhält sich darin genau umgekehrt zur verbreiteten Erfahrung mit Halbleiterendstufen, denen der Leerlauf nichts ausmacht und der Kurzschluss gefährlich wird.

Häufiges Missverständnis

„Röhren klingen warm, weil sie geradzahlig klirren." Das ist die verbreitetste Erzählung zur Bauart, und sie hält der Prüfung nicht stand. Elliott führt dagegen dreierlei an: Unangenehm klingen hohe Ordnungen ab etwa der siebten, gleich ob gerade oder ungerade; eine ordentlich ausgelegte Gegentaktstufe zeigt ohnehin gerade wie ungerade Anteile bis zur vierten oder fünften Ordnung; und beim Übersteuern wird der Klirr in jeder Technologie überwiegend ungeradzahlig. Eine Vorstufe, die absichtlich rund drei Prozent zweite Harmonische erzeugte, klang in seinem Versuch schlicht schlecht.

Der hörbare Unterschied ist trotzdem real — er stammt nur aus einer anderen Ecke. Es ist die hohe Ausgangsimpedanz, die den Frequenzgang dem Impedanzverlauf des Lautsprechers folgen lässt, und diese Färbung ändert mehr am Klangbild als jede Klirrordnung. Wer sie mag, mag eine Abweichung von der geraden Wiedergabe, und das ist ein legitimer Geschmack. Er lässt sich, auch das hält Elliott fest, mit Halbleiterschaltungen nachbilden.

„Röhre heißt hochwertig." Die Bauart sagt, wie die Ausgangsstufe arbeitet. Über die Sorgfalt der Umsetzung sagt sie nichts, und die Spanne zwischen einem Gerät mit sparsam dimensioniertem Übertrager und einer sauberen Konstruktion ist größer als der Abstand zu einem guten Halbleitergerät. Der Übertrager ist dabei das Bauteil, an dem gespart wird, weil man ihm von außen nichts ansieht.

Nicht zu verwechseln mit

• Röhrenvorstufe: Eine Röhre im Vorverstärker arbeitet auf hochohmige Eingänge und braucht keinen Ausgangsübertrager. Damit entfallen Anzapfungen, Lastabhängigkeit und Leerlaufgefahr — was bleibt, ist die Kennlinie der Röhre. Auch ein Phono-Vorverstärker mit Röhre gehört in diese Gruppe.
• Hybridverstärker: Röhre im Eingang, Halbleiter in der Ausgangsstufe. Solche Geräte haben den niedrigen Ausgangswiderstand der Halbleiterendstufe und damit nicht die Lastabhängigkeit, die viele gerade suchen.
• Class-D-Endstufe: Der andere Pol in Wärmebilanz und Bauform. Der Buchstabe zählt Betriebsarten durch und hat mit der Frage Röhre oder Halbleiter nichts zu tun — Röhrengeräte arbeiten ihrerseits in Class A oder Class AB.
• Übertrager im Lautsprecher: Dasselbe Bauteil an anderer Stelle der Kette, etwa am Bändchen oder in der 100-Volt-Technik.
• OTL-Schaltungen: Röhrenendstufen ohne Ausgangsübertrager, die stattdessen viele Röhren parallel schalten. Eine seltene Sonderform, die den Übertrager gegen andere Schwierigkeiten eintauscht.

In der Planung

Ein Kunde hört Stereo im Wohnzimmer, überwiegend Jazz und Kammermusik bei gemäßigten Pegeln, und wünscht sich ein Röhrengerät. Vorhanden sind Standlautsprecher mit vier Ohm Nennimpedanz und einem Einbruch auf knapp drei Ohm im Grundton. Am Anfang stehen zwei Fragen an Raum und Anspruch: Welcher Pegel wird bei diesem Hörabstand gebraucht, und wie viel Abweichung von der geraden Wiedergabe ist erwünscht? Bei zwanzig Quadratmetern und drei Metern Hörabstand liegt der Bedarf niedrig genug, dass wenige Watt reichen — die Klangfärbung will der Kunde ausdrücklich.

Damit steht die Verfahrensfrage, und sie betrifft die Paarung. An dieser Box, deren Impedanz zwischen drei und einem Vielfachen davon schwankt, wird die Färbung kräftig und schwer vorhersagbar ausfallen, und die Vier-Ohm-Anzapfung ist eine Mindestanforderung an das Gerät. Drei Wege stehen offen: die Lautsprecher gegen eine Konstruktion mit glatterem Impedanzverlauf und höherem Kennschalldruckpegel tauschen; bei den Lautsprechern bleiben und eine Gegentaktendstufe mit kräftiger Gegenkopplung wählen, die weniger färbt; oder die Färbung annehmen und vor dem Kauf hören. Der dritte Weg ist der ehrlichste, wenn die Färbung der eigentliche Wunsch ist.

Erst danach kommen Geräte ins Gespräch, und dort zählen drei Dinge mehr als der Name: die vorhandenen Anzapfungen, die Zugänglichkeit der Röhren samt Ruhestrom-Einstellung und der Aufstellungsort. Ein Gerät, das im Betrieb Oberflächentemperaturen weit über Handwärme erreicht, gehört weder in ein geschlossenes Sideboard noch in Reichweite von Kindern — diese beiden Punkte entscheiden häufiger gegen ein Röhrengerät als jede Messgröße.

Verknüpfte Inhalte

Warum die Last des Verstärkers keine feste Zahl ist, steht bei Impedanz; was aus einer hohen Quellimpedanz elektrisch folgt, beim Dämpfungsfaktor. Das Bauteil, an dem hier alles hängt, behandelt der Übertrager im Lautsprecher. Wie viel Leistung ein Raum überhaupt verlangt, klären Verstärkerleistung sowie Wirkungsgrad und Kennschalldruckpegel. Den Gegenpol in Wärmebilanz und Bauform beschreibt die Class-D-Endstufe.

Quellen

Die Angaben zum Ausgangsübertrager — Gleichstrom in den Wicklungen, Sättigung, Luftspalt und Streuinduktivität —, die Ausgangsimpedanz unter zwei Ohm für gute Trioden-Ausgangsstufen, die Begrenzung der Gegenkopplung durch die Phasendrehung, die Klirrwerte von rund zwei Prozent samt den historischen Schwellen aus dem Radiotron Designer's Handbook, die Leistungsbeispiele von sieben und dreißig Watt und die Unverträglichkeit des lastlosen Betriebs stammen von Rod Elliott. Von ihm stammen ebenso die Auflösung der Erzählung vom angenehmen geradzahligen Klirr, die Erklärung der Färbung über den Impedanzverlauf, die Kritik an gematchten Röhren ohne offengelegte Prüfbedingungen und die Unterscheidung zwischen normaler Fluoreszenz und Gasentladung. Die Funktionsweise der Röhre selbst und der Mechanismus der Spannungsspitze ohne Last sind aus der allgemeinen Elektrotechnik übernommen, ohne eingesehene Fundstelle.