Röhrengleichrichter

Röhrengleichrichter und Röhrenverstärker – das gehört irgendwie zusammen. Bei der Beschreibung eines Röhrenverstärker-Selbstbauprojektes mit Röhrengleichrichter-Netzteil uferte die Beschreibung um das Netzteil »etwas« aus. Daher ist das Thema Netzteil mit Röhrengleichrichter abgetrennt worden. Er setzt allerdings etwas Elektrotechnik-»Kenne« voraus, wobei ich hier versucht habe, das auch für den »Technik-Laien« verständlich zu halten. Eine Warnung aber vorweg: Wenn Sie esoterisches HiFi-Geschwafel erwarten, dann lesen Sie bitte nicht weiter.

Absolute Elektronik-Laien lesen bitte zunächst den Artikel (sogar inkl. Animation) über Zweiwege-Gleichrichter. Da werden zwar Halbleiter-Dioden verwendet, aber das kann man prinzipiell auf die hier verwendeten Röhrengleichrichter beziehen.

Man muss immer bedenken, aus welcher Zeit der Röhrengleichrichter stammt, dann erklärt sich einiges. Deshalb ein kurzer Sprung in die Vergangenheit:
Früher gab es noch keine hochkapazitiven Kondensatoren. Da waren »poppelige« 100µF schon sehr viel. Und sehr teuer. Von 1.000µF und mehr wagte man noch nicht einmal zu träumen. Spulen bzw. Drosseln dagegen waren wesentlich billiger und – im nachhinein betrachtet – auch effektiver als der reine Kondensatoreinsatz (selbst an den Drosseln hat man zunächst gespart, Stichwort »Field-Coil Loudspeaker«). Die Kondensator-Bauform »Elko« (Elektrolytkondensator) die erst grosse Kapazitäten mit geringen Ausmaßen ermöglichte, gab es zunächst auch noch nicht. Man könnte die damals üblichen Ölkondensatoren als Vorläufer von modernen Elkos bezeichnen. Die ersten bezahlbaren Elkos kamen übrigens erst ab etwa 1935 auf den Markt. Grosse Kapazitäten wiesen die aber auch noch nicht auf. Ausserdem mussten zunächst noch die auf Halde produzierten Kondensatoren (Öl, Papier) billig abverkauft und in Consumer-Geräten verbaut werden. In Deutschland tauchten die ersten Elkos mit »kleinen« Werten (max. 20µF) aber wirklich »grossen« Ausmaßen erst ab ca. 1938 auf.

Leistungsfähige Halbleiter, noch dazu bezahlbar, gab es früher erst recht nicht. Und schon gar nicht auf Silizium-Basis. Allenfalls Selengleichrichter – auch als »Trockengleichrichter« bezeichnet.

Und nun wieder »Zurück in die Zukunft«.
So. Auch auf die Gefahr hin, mich der Ächtung preiszugeben: Röhrengleichrichter sind ein technischer Anachronismus (Äh… Und was ist ein Röhrenverstärker?). Selbst die Feld-Wald-und-Wiesen Halbleiterdiode 1N4007 (genauer: Zwei) leistet mehr. Nahezu alles, was dem Röhrengleichrichter als positive Eigenschaft angedichtet wird, ist… Nunja… Esoterik. Und das sanfte Hochfahren der Hochspannung kann man billiger und besser mit Halbleiter umsetzen. Ja, was denn?
Hallo?
Sind Sie noch da?

OK. Ein Prinzip aus der Elektrotechnik:

Das richtige Bauteil am richtigen Platz.

Wenn man von Röhrengleichrichter für den Einsatz in Verstärker spricht, dann muss man auch das gesamte Netzteil betrachten. Die Gleichrichterröhre isoliert zu betrachten – das funktioniert nicht. Ein »ordentliches« Netzteil fällt hier dadurch auf, dass keine »dicken« Kapazitäten verwendet werden und man meistens noch eine Drossel findet.

Das mit den Kapazitäten hat nur zweitrangig etwas mit Röhre zu tun. Hauptsächlich etwas mit ganz schnöder Physik: In Röhrenverstärkern fliessen hohe Spannungen mit geringen Strömen. Je höher die Spannung, desto geringer der Strom. Und – je niedriger der Strom, desto geringer die Siebkapazitäten, die man einsetzen muss (soll – Stichwort Energiegehalt Kondensatoren). In Halbleiterverstärker findet man genau umgekehrte Verhältnisse.

»Grosse« Kapazitäten »stabilisieren« bzw. »sieben« zwar hervorragend, haben aber einen Nachteil: Sie brauchen länger, bis sie aufgeladen sind, um als Energiespeicher dienen zu können, wenn das Musiksignal es erfordert. Das macht den Verstärker aber »langsam«. »Kleine« Kapazitäten sind zwar schnell aufgeladen, aber auch schnell entladen. Als Energiespeicher nicht unbedingt ideal und auch die Siebeigenschaft ist eher mau. Deshalb setzt man zur Erhöhung des Siebfaktors (Kennzahl für die Netzteilqualität) eine Drossel (oder einen einfachen Widerstand) ein. Kleine (richtig dimensionierte) Kapazitäten im Teamwork mit einer richtig dimensionierten Drossel ergibt einen unschlagbaren Siebfaktor (und schlussendlich einen »schnellen« Röhrenverstärker).

Für Nichttechniker, kurz und knapp die Sache mit der Drossel:
Eine Drossel ist ein Drahtwickel auf Eisenkern, der den Gleichstrom fast ungehindert passieren lässt aber für Wechselspannungsanteile einen hohen Widerstand darstellt (Induktivität). Die Energie, die von der Wechselspannung stammt, verpufft natürlich nicht, sondern wird im Eisenkern der Drossel gespeichert und bei Bedarf wieder abgegeben (Auch das ist Physik: Energie geht nicht verloren). Die Drossel »siebt« also nicht nur, sie dient auch im gewissen Maße als Energiespeicher. Nachteil: Falsch dimensioniert besteht die Gefahr, die Drossel in die Sättigung zu treiben – man mutet der Drossel etwas zu, was sie nicht leisten kann.

Röhrengleichrichter vs. Halbleiter

Während die modernen Halbleiter relativ problem- und anspruchslos sind, geht das mit den Gleichricherröhren eben nicht so einfach. Das sind ganz schön komplizierte Geschöpfe. Neben dem üblichen, zusätzlichen, Heizkreis hat ein Röhrengleichrichter auch noch einen schlechten »Wirkungsgrad«, d.h. man muss schon »etwas« mehr »hineinstecken« als man hinterher »herausbekommen« will.

Das wäre an und für sich noch kein so grosses Problem. Erschwerend kommt nämlich hinzu, dass das Ganze noch im Verhältnis zum entnehmbaren Strom und Spannung steht. Grob formuliert: Je mehr Strom man aus dem Röhrengleichrichter ziehen will, desto niedriger wird die entnehmbare Spannung (und umgekehrt). Die Grenzmarke setzt nur noch der Trafo bzw. was er leistet.

Hier hat man es bei der Halbleiterversion wesentlich einfacher. Das, was man an Wechselspannung »hineinsteckt«, kommt fast als »Gleichspannung« wieder heraus. Die Verluste sind nahezu immer gleich und vernachlässigbar. Vorausgesetzt natürlich, der Gleichrichter »passt« zu den Anforderungen. Wenn eine Schaltung z.B. 50 Volt mit 2 Ampere Strom »zieht«, dann ist ein 1 Ampere Gleichrichter natürlich fehl am Platz. Mehr wie 50 Volt bei 1 Ampere kann die Schaltung nicht aus dem Gleichrichter »ziehen«. Disbezüglich begrenzen Halbleiter ziemlich schnell und, wenn es ganz schlecht läuft, geben sie auch schnell auf.

Bei einem Röhrengleichrichter ist das »etwas« anders, denn die Röhre fängt an, schon vorher zu begrenzen, bevor sie ans Maximum gerät und versucht dann auch noch durchzuhalten. Man spricht hier von »Kompression«, was sich im Klang bemerkbar macht. Das versuche ich mal so zu beschreiben: Bassimpulse, die uns normalerweise knüppelhart in die Magengrube gedonnert werden, wird die Energie genommen. Sie klingen mit der »Röhrenkompression« weicher, runder, »natürlicher«. Einen ähnlichen Effekt haben wir bei einem aktiven Subwoofer (hart) und einem passiven Woofer (weich). Eigentlich für HiFi ja nicht erwünscht. (Diesen Effekt können Sie auch ohne Röhrengleichrichter bekommen: Einfach einem 100Ω- bis 220Ω-Widerstand in die Stromversorgung einschleifen…)

Nun sind wir hier bei Röhrenverstärker und arbeiten deshalb auch nicht mit 50 Volt, sondern mit (beispielsweise) 400 Volt. Und wir arbeiten dann auch nicht mit 2 Ampere sondern (ebenso beispielsweise) mit 200 Milliampere (200mA = 0,20 Ampere). Ein Röhrengleichrichter mit einer maximalen Stromentnahme von 200mA ist hier zu knapp bemessen. Das geht zwar, aber es war noch nie gut, ein elektrisches Bauteil mit Grenzdaten »zu fahren«. Ein Röhrengleichrichter der 225mA (z.B. 5U4G) liefern kann, wäre das geeignetere Bauteil. 25mA Differenz – das ist bei Röhrenverstärkern eine »Menge Holz«. Und jetzt kommt noch die Sache mit dem Energiespeicher (Siebkondensator) hinzu der aufgeladen werden muss, weil ein energiereicher Bassimpuls den Kondensator »leergesaugt« hat. Dann nämlich müssen kurzzeitig höhere Ströme zur Verfügung stehen. In den (englischen) Datenblättern für den Röhrengleichrichter ist dies mit »Peak« angegeben. Diese Peak-Leistung gibt es beim Halbleiter so nicht weshalb man dann von vorneherein stärkere Gleichrichter einsetzen soll (was auch bei einem Röhrenverstärker oft genug nicht gemacht wird).

Kleine Richtigstellung: Wenn ein Bassimpuls einen Kondensator wirklich »leersaugt«, dann ist der Kondensator unterdimensioniert. Das kann man sogar hören, auch wenn der Verstärker »keine Musik macht« – der Verstärker »atmet«. Derartige Netzteile finden sich in Gitarrenverstärkern – solche Netzteile und »HiFi-Netzteile« – das sind zwei Paar Schuhe. Auch wenn sie sich ähnlich sehen.

frihu

…hört gerne Musik. Über Röhrenverstärker. Musikrichtung egal. Ausser Jazz, Hip-Hop, House, Metal, Trash, Schlager, Volksmusik, Gangsta-Rap (noch schlimmer, wenn in Deutsch gebrüllt). Da krieg' ich ein Hörnchen. Autor der Bücher: Hören mit Röhren, Röhrenschaltungen und High-End Röhrenschaltungen. Artikel in hifi-tunes (Röhrenbuch 2): Bauteileauswahl für Röhrenverstärker und EL509 Single-Ended Röhrenverstärker im Selbstbau

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