Class A Gegentakt - Zwerg

Mein Wunsch war es immer schon, eine Gegentaktendstufe zu konstruieren, die nicht in AB-Betrieb läuft, bei der ab einer gewissen Leistung die Gegentaktamplitude teilweise beschnitten wird und so Klang und Klirrfaktor beeinträchtigt wird, sondern eine richtige Gegentakt-Klasse A. Hauptproblem ist bekanntlich hierbei, dass der Ruhestrom so hoch eingestellt sein muss, dass beide Halbwellen bis zur Maximalleistung ohne Beschneidung intakt bleiben müssen. Die Röhren laufen in dem Fall alle beide auf Maximal-Ruhestrom, was eine enorme Verlustleistung hervorruft, hohe Anodenströme / Anodenhitze, was den Röhren hauptsächlich und anderen Bauteilen ebenfalls nicht zugute kommt. In dem Fall muß der Netztrafo und überhaupt die ganze Endstufe mit größerem Gehäuse und / oder Ventilatoren ausgestattet sein. Meine Lösung möchte ich jetzt nach 6 Jahren Überlegungen und regelmässigen Tests hier nun endlich vorstellen. Herausgekommen ist eine mini-kleine Stereo-Endstufe mit 2 PCL86 - Röhren und 2 Transistoren, die von den Röhren über einen Shunt gesteuert werden und im Gegentakt zu diesen laufen. Das Besondere der Schaltung ist, im Leerlauf verbraucht sie nur 1/10 des Maximalstromes von 50 mA, also 5 mA pro Röhrensystem. Mit steigender Belastung regelt sich der Strom an Röhre und Transistor nach oben bis hin zu 50 mA pro Röhre, ohne dass am Lautsprecher sich was von der Leistungsänderung bemerkbar macht, und die Endstufe im ganzen Regelbereich im A-Betrieb bleibt. Auf diese Weise ist eine mini-kleine Stereo-Endstufe entstanden,mit satter Leistung von bis zu 5 Watt RMS pro Kanal, was im Vergleich zu SE-Verstärker mit denselben Röhren das 2,5-fache ist und das Ganze mit viel kleineren und billigeren Bauteilen.

Triode und Pentode sind galvanisch miteinander verbunden, wobei die Pentode in Anodenbasisschaltung arbeitet und somit nur Stromverstärkung liefert. Die Triode erzeugt im Leerlauf über ihren Anodenwiderstand R40 -13 Volt am Gitter1 gegenüber Katode der Pentode und sperrt diese somit zu großem Teil. Die Spannungsverstärkung der Triode ist bei dieser Schalttung  enorm und zwar über 160-fach ( 100fach maximal steht im Datenblatt ). Unterstützt wird sie zusätzlich durch die sich im Gleichlauf befindliche Katodenspannung der Pentode, die ihrerseits durch Bootstrap-Elko auf das Gitter 2 übertragen wird und gleichzeitig am Anodenwiderstand der Triode anliegt. Diese Mit / Rückkopplungsunterstützung erzeugt dann die sehr hohe Spannungsverstärkung an der einzigen Triode, die bei 1 Volt am Eingang  bis zu 280VSS an der Anode derselben bringt. Der Strom der Pentode verteilt sich über Spannungsteiler und Emitter-Basis-Kollektor des Transistors sowie auf den Übertrager. Beim Transistor handelt es sich um einen 2SA1156, der bis 400 Volt CE / BC-spannungsfest ist und mit der Pentode zusammen im Gegentakt arbeitet. Er befindet sich in Basisschaltung, arbeitet mit hoher Spannungsverstärkung und wird über seinen Emitter durch den Spannungsabfall an R25 geregelt. Durch den geringen Leerlaufstrom der Pentode wird an R25 nur wenig Spannungsabfall produziert und an BE des Transistors stellen sich 0,54 Volt ein, welcher also auch zum grossen Teil gesperrt ist. Am Übertrager wird bei Leerlauf eine Spannung von 110V bei 360 V Betriebsspannung gemessen. Die Meinung könnte jetzt entstehen, die ganze Gegentaktschaltung befinde sich durch die quasi Sperrung der beiden Schaltelemente in einem Klass B- Betrieb, aber der Schein trügt.

Fakt ist, mit zunehmender Wechselspannungsbelastung entsteht eine Arbeitspunkt-verschiebung ( automatic-characteristic-move ), bei der die mittlere Spannung am Ausgang sich von 110 Volt bei Leerlauf bis auf  180 V bei Vollast erhöht. Da jetzt bei Vollast fast die doppelte Spannung am Transistor liegt, steigt die mittlere BE-Spannung bis auf -0,6V an. Arbeitspunkt von Röhre und Transistors liegen während der ganzen Verschiebung auf der Kennliniengerade von Pentode und Transistor und  arbeiten so zusammen im A-Betrieb (Leerlauf bis Volllast ). Die Wechselspannung, die an R25-12 Ohm entsteht, dient dazu  die BE-Spannung des Transistors  zu steuern und somit den erforderten Gegentakt zu garantieren. 10 bis 12 Ohm sind hier ideal. Der Kondensator C15-22µF hält die Basis des Transistors zum Emitter hin auf konstanter Spannung. Damit die Empfindlichkeit  1Volt am Eingang der Triode gegeben ist, ist der Bootstrap-kondensator C6-22µF zwischen Kathode und Gitter2 resp. zum Anodenwiderstand der Triode geschaltet, damit die Verstärkung von Triode sowie Pentode zusätzlich angetrieben wird. Eine Diode D1 über R13 verhindert, dass beim Durchschalten der Pentode die Gitter2-Spannung von bis zu 470V nicht zum Netzteil hin abfließt. Die restlichen Dioden D2 / Zenerdioden dienen zum Schutz des Transistors Eine starke Gegenkopplung R11-2K7 garantiert ein sauberes Signal am Endübertrager. Frequenzkorrekturen mit RC-Glied sind hier nicht nötig.

Die automatische Arbeitspunktverschiebung ACM hat verschiedene Ursachen:

1:  beim Durchschalten der Triode: die Hauptursache der automatischen Arbeitspunktverschiebung ist ohne Zweifel der sehr geringe Anodenstrom der Triode. Da hierdurch am Kathodenwiderstand auch nur sehr geringer Spannungsabfall entsteht, kommt die Gitterspannung beim Durchschalten der Triode an die 0-Volt-Grenze zur Katode und beim Anlegen eines Signals fließt bei positiver Halbwelle ein geringer Gitterstrom, der den inneren Widerstand der Triode anhebt und so die mittlere Anodenspannung der Triode ansteigen läßt. Der sehr hoch gewählte Gitterableitwiderstand (2,2 MOhm ) bewirkt, dass sich die negative Gitterspannung der Triode bei steigendem Eingangspotential und den dadurch auftretendem minimalen Gitterstrom automatisch in den negativen Bereich zurückregelt. Dieser Umstand wird übrigens bei Audionschaltungen genutzt zur Festlegung des idealen Demodulationspunktes, also die Grenze zur Gleichrichtung. Bei der Wahl eines 100KOhm-Gitterableitwiderstandes oder größeren Wert des Kathodenwiderstandes z.B. wäre dieser Effekt weitgehend hinfällig. Bei dieser Schaltung ist drauf zu achten, dass die Eingangsspannung nicht allzu sehr in den positiven Bereich gelangt, da es sonst zu der Abflachung einer Halbwelle führt, was ja nicht wünschenswert ist. ( also auf keinen Fall mehr als 1 Volt Eingangssignal )

2:  die Arbeitspunktverschiebung  an der Kathode der Pentode wird überhaupt erst ermöglicht durch die fehlende Kopplung des Gitter1 an die Kathode, d.h., das Gitter1 hat durch die Anodenbasisschaltung keinen festen Bezug zur Kathode ( z.B. durch einen Gitterspannungsteiler oder Kopplung an einen Kathodenwidestand ) . Durch die galvanische Kopplung der beiden Röhren wird die mittlere Kathodenspannung der Pentode also von der Trioden-Anodenspannung je nach Belastung rauf oder runter geregelt                                                                 

3:  beim Sperren der Triode:  in dem Fall schaltet die Pentode ja durch und hebt die Anodenspannung der Triode durch den Bootstrap-Elko und durch Sperrung von D1 bis zu einer Spannung von max. 460 Volt an, was wiederum die mittlere Ausgangsspannung an der Katode der Pentode beeinflusst

 Durch diese Umstände und die daraus resultierende Durchschaltung der Pentode bei Leistungssteigerung, wird  die mittlere Spannung an der Kathode nach oben getrieben. Die Pentode macht sich in gewisser Weise also selbstständig. Dieser Kennlinienverschiebungsprozess bleibt nur so lange bestehen, wie die mittlere Spannung am Ausgang nicht die halbe Anodenspannung erreicht. Ist dieser Effekt erwünscht, darf die negative Vorspannung am Gitter der Triode nicht unter ungefähr -1 Volt gegenüber Katode festgelegt werden und wenn möglich ohne Kathodenkondensator, weil der die Gegenkopplung der Triode aufhebt.

Transistor :  Durch diese automatische mittlere Spannungssteigerung des Ausgangs, auch von mir ACM ( automatic characteristic move ) genannt, bekommt der Basisspannungsteiler sowie CE des Transistors mehr Spannung und logischerweise steigt die BE-Spannung durch progressives Aufladen von C15 an. Der Tr. wird also  leitender und bremst die Spannungssteigerung am Übertrager zu gewissem Teil wieder aus. Dieses Phänomen bleibt zunehmend bestehen bis hin zur Vollast, bei der die Kathodenspannung sich bis auf 180 Volt steigert.  Röhre sowie Transistor arbeiten im ganzen Regelbereich im A-Betrieb, also stets fast mittig der Kennliniengerade.  R25 misst den Pentodenstrom zum Tr. sowie zum Übertrager und regelt mit seinem Spannungsabfall das Sperren und Durchschalten des Tr. Da dieser eine ähnliche Kennlinie als die Pentode aufweist, fungiert er als ideale Gegentaktkompensation  und es entsteht so ein Gesamt-Gegentaktsignal am Ausgang. Der ganze Bereich von minimaler Belastung bis hin zur Vollast steht so als Gesamtbild am Ausgang an und wird vom Endübertrager übernommen. Hierbei ist ein Ruhestrom von  5 mA einzustellen.. Unter 3 mA treten Übernahmeverzerrungen an der Gegentaktschaltung auf, was unbedingt zu vermeiden ist.

Die Einfachheit des Aufbaues ( allerdings nicht das Verständnis ) ist kaum zu übertreffen. Eine Verbundröhre und ein Transistor pro Kanal sind erforderlich.  .  Der Transistor kann mit Wärmeleitpaste auf das Blech des Gehäuses geschraubt werden, muß aber auf jeden Fall gekühlt werden. Pro Kanal sind 4,5 Watt RMS Musikleistung zu erwarten, was für Zimmerlautstärke vollkommen reicht. Bei leiser Musik entsteht an der Anode sowie am Transistor kaum Hitze und damit sehr wenig Verlustleistung ( 4 Watt Heizung einbegriffen ). Man kann getrost bei dieser Schaltung von reinem Röhrensound ausgehen, da der Gegentakt des Transistors ja von der Pentode gesteuert wird und dieser  eigentlich als eine Art Konstant-Stromquelle genutzt wird. Wer mehr Leistung braucht und Bedenken hat wegen der schwankenden mittleren Gleichspannung am Koppelkondensator, kann sich die nächste Schaltungsvariante ( Brückenschaltung ) mit 2 PCL86 ansehen. Bei dieser Version spielt die mittlere Spannungsverschiebung am Ausgang keine negative Rolle mehr an einem Übertrager-Elko, da beide Ausgänge identisch arbeiten. Mittlerweile liegt die Leistungsausbeute dieser Brückenendstufe mit 3K2-Übertragern bei 9 Watt RMS, Bei Stereobetrieb muß Trafo u. Netzteil auf wenigstens 250mA Anodenstrom angepasst werden. Vollaussteuerung bei 50mA bis hin zu sehr leisem Ton wurden mit 50Hz / 500Hz / 5000Hz auf Verzerrungen getestet. Positive und negative Halbwellen wurden miteinander verglichen ( auch Identität bei Rechtecksignal ). Die Empfindlichkeit am Eingang bei Vollaussteuerung liegt bei 1 Volt .

 Als Endübertrager kann ein  100Volt-Übertrager mit einer Eingangsimpedanz von ungefähr 2  KOhm  ( bei Massekopplung mit Elko ) verwendet werden, da er nicht durch Gleichstrom vormagnetisiert wird und ausserdem im parallelem Gegentaktmodus arbeitet. Normale Gegentaktübertrager sind nicht geeignet, da diese für ähnliche kleine  Leistung ( EL84 -Klasse ) eine 4fache Impedanz aufweisen

Das Wiedergabefrequenzband weist gleichbleibende  und unverzerrte Spannung von 35 HZ bis 25000 Hz am Übertrager auf mit Lautsprecher angeschlossen. Bei 30000 Hz wird die Linearitätsgrenze erreicht, bei der noch  70 % des Potentials übrig bleiben.

Als Netztrafo reicht ein sehr kleines  Model mit 280V / 120mA Anodenwicklung ( Stereo ) und 14V Heizspannung.

 Hochfrequenz-Schwingungsneigungen konnten bis jetzt keine festgestellt werden und darum sind in der Schaltung auch keine Maßnahmen zur Vermeidung dergleichen getroffen worden. Die Schaltung ist ungemein schwingungsunempfindlich trotz der hohen Spannungsverstärkung der Triode. 

Hier noch einiges zur Stromversorgung. Um die Durchschlagfestigkeit der Röhre ( Heizung-Kathoden ) zu sichern, sollte das Heizungspotential  mit 2 Widerständen und Kondensator auf ungefähr 100 Volt Masse zur Anodenspannung hochgelegt  werden. Da die Strombelastung erst mit dem Wechselstromsignal einsetzt, empfiehlt es sich, die Betriebsspannung auf 360 - 380 Volt zu stabilisieren um größere Schwankungen (insbesondere bei  kleinen Netztrafos ) zu vermeiden. Die hier gezeigte Längsregler-Stabilisierungsschaltung fährt ungefähr 10 Sekunden nach Einschalten die Anodenspannung langsam hoch. Die Zenerdioden werden durch die Konstantstromschaltung der beiden Transistoren  in allen Belastungsstadien mit genau demselben Strom durchflossen und garantieren so eine Ausgangsspannung mit weniger als 1 Volt Genauigkeit . Bei 280 Volt Trafospannung genügt ein relativ kleiner Mosfet--Kühlkörper. Die Stabilisierungsschaltung passt auf eine Platine von 45 x 96 mm und damit in jedes kleine Gehäuse.

Die hier gezeigte Brückenschaltung habe ich doppelt als Stereoendstufe in ein kleines Chassis 125 x 230 eingebaut. Diese doppelte Brückenendstufe mit Spannungsstabilisierung wiegt fertig aufgebaut   2 Kilo. Der Gesamt-Anoden-Leerlaufstrom beträgt gerade mal 13 mA und produziert kaum Hitze. Als Endübertrager dienen 2 kleine 10 Watt 100Volt-Übertrager TR84 der Marke Visaton, die zwar bei Vollast an ihre Grenzen kommen, dafür aber eine sehr gute Übertragung von 20 bis 20000 Herz aufweisen. Die Basswiedergabe dieser Übertrager ist hervorragend. Die 4 x 2SA1156 - Transistoren sind einfach mit Hitzeleitpaste unter das Blech des Chassis geschraubt, das die produzierte Hitze bis Vollast sehr gut verteilt und an die Umgebung abgibt. R35 sollte bei 50 Herz Tonfrequenz sehr genau auf minimale Verzerrung justiert werden, am besten mit Oszi + Gehör. Herausgekommen ist eine sehr kleine und leichte Stereo-Röhrenendstufe, deren Klang und Leistung mit weit Größeren und Teureren mithalten kann und bei der man sich keine Sorgen wegen Stromverschwendung und Hitzeproduktion zu machen braucht. Die Kosten für den Bau des gezeigten Projektes liegen bei ungefähr 150 Euro, vorausgesetzt man verfügt über sämtliche Widerstands - Kondensatorwerte. Ein ideales Röhren-Selbstbauprojekt für das Wohnzimmer mit satter Leistung, wenig Hitzeproduktion, mit Röhrenklang und trotzdem stromsparend bei Dauerbetrieb.