Tube-Town Forum
Technik => Tech-Talk Einsteiger => Thema gestartet von: Oddgit am 15.05.2012 08:53
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Hallo zusammen,
ich habe mich erst vor kurzem aufgrund meines Studiums in die Röhrenthematik eingearbeitet und bin daher noch wenig erfahren was das Verhalten von Röhrenschaltungen angeht.
Nun geht es darum, dass ich daran arbeite, die im Anhang dargestellte Schaltung digital zu simulieren. Sinn und Unsinn dieses Vorhabens soll nicht Bestandteil dieser Diskussion sein, ich habe vielmehr einige elektrotechnische Fragen zu der Schaltung und hoffe sehr, dass ihr mir weiterhelfen könnt.
Bei meinen bisherigen Berechnungen wurden beide Röhren nur mit Gitterspannungen kleiner 0 V betrieben. Für die Berechnungen in diesem Bereich gibt es viel Literatur und Beschreibungen, sodass ich hier recht genaue Ergebnisse erhalte.
Da ich jetzt aber auch den Bereich positiver Gitterspannungen berücksichtigen will, stoße ich an Grenzen. Es fängt schon mit den Kennlinienfeldern an, die Gitterspannungen größer null nicht aufführen.
Meine Frage ist nun, wie sich die Schaltung verhält, wenn die erste Röhre das Eingangssignal so stark verstärkt, dass an der zweiten Röhre bei den Pegelspitzen eine positive Gitterspannung abfällt. Es geht speziell um die rot-markierten Größen Ckop, Rg, Ig und Ug.
Im Internet habe ich verschiedene Quellen entdeckt, die beschreiben, dass bei einer positiven Gitterspannung nicht das Ausgangssignal begrenzt wird, wie es beim Cut-Off durch sehr große, negative Gitterspannungen der Fall ist, sondern dass das Eingangssignal geclippt wird.
Karl R. Spangenberg leitet in dem Buch „Vacuum Tubes” eine Formel zur Berechnung des Gitterstromes Ig abhängig von Ug und Ua her. Nun gehe ich davon aus, dass ich mit dieser Formel den Gitterstrom hinreichend genau berechnen kann. Das Ausgangssignal der ersten Röhre ist ebenfalls zu jedem Zeitpunkt bekannt.
Was passiert denn nun genau am Eingang der zweiten Röhre?
Wenn die Gitterspannung positiv wird, fließt ein [technischer] Gitterstrom [in die Röhre], den man - wie auch immer - berechnen kann. Wenn ich das richtig verstanden habe, verursacht dieser Strom Ig irgendwo einen Spannungsabfall, der wiederum das Eingangssignal begrenzt. Tut er das aufgrund irgendeiner Maschenregel? Wie muss ich mir das vorstellen, bzw. wie kann ich diesen Spannungsabfall berechnen? Und wenn ich die Spannung kenne, wie wirkt sich diese schlussendlich auf das an der Röhre liegende Eingangssignal aus?
Ich habe irgendwo eine Ua-Ug-Kennlinie entdeckt, die zeigt, dass sich die Anodenspannung für positive Gitterspannungen einem konstanten Wert annähert. Diesen Effekt erhoffe ich mir berechnen zu können.
Für eure Hilfe bin ich sehr dankbar!
Viele Grüße.
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Hallo Namenloser,
meine Überlegung zu der Sache.
Läuft Ug gegen 0V oder in den positiven Bereich, beginnt das Gitter Strom zu ziehen, es entsteht der besagte Gitterstrom.
Da das Gitter meist hochohmig über einen Gitterableitwiderstand auf 0V gelegt wird, entsteht über diesem hochohmigen Widerstand eine positive Spannung durch den Gitterstrom.
Das Gitter läd sich immer weiter auf.
Durch das verschieben der Gittervorspannung, welche ja nur die Differenz aus Uk-Ug ist wird ersichtlich, dass sie insgesamt kleiner wird. Dadurch steigt der Gesamtstrom durch die Röhre.
Hierdurch ergibt sich, dass ab dem Schwellwert des Eingangssignals welches Gitterstrom verursacht keine Verstärkung mehr stattfindet, sondern - gibt man denn einen Sinus drauf - nurmehr ein geclipptes Signal zu sehen ist (Plateau auf der negativen Halbwelle an der Anode).
Es gibt Röhren, welche extra für den Fall der positiven Gittervorspannung konzipiert sind und dort gescheit arbeiten, die meisten Röhren, aber welche nur für negative Gittervorspannungen vorgesehen sind dürften sich derart wie beschrieben verhalten.
Aufpassen muss man allerdings, da man durchaus schnell den zulässigen Gesamtstrom des Steuergitters (fragile, sehr feine, Konstruktion) überschreitet. So kann man die Röhre auch fix zerstören.
Oder man überschreitet durch die positive Ug schnell die maximal zulässige Anodenverlustleistung und die Röhre glüht ab.
Da muss man sich glaube ich rantasten.
Dass man das Gitterstromverhalten vorhersehe kann glaube ich allerdings fast nicht.
Da ist der jeweilige Aufbau der Röhre und der Röhrentyp glaube ich viel zu entscheidend, als dass man das mathematisch in einer allgemengültigen Form zusammenfassen könnte - ist jedoch nur meine persönliche Vorstellung.
Interessant ist auch was mit dem Ckop geschieht. Stichwort Blocking Distortion.
Durch ein großes Tau und große Gitterströme wird das Ding soweit geladen, dass der Treiber V1 den Strom nachliefern muss, was er aber in vielen Fällen aufgrund seines großen Ausgangswiderstandes nicht kann.
Hierdurch ergeben sich zusätzliche Steuersignal verzerrende Effekte.
Merlin Blencowe hat das ganz ansehnlich in "Designing Tube-Preamps for Guitar/Bass" beschrieben.
Hoffe das hat dich etwas weiter gebracht :)
Grüße,
Swen
PS: Ig und Ug müssten in deiner Skizze technisch, nicht physikalisch eingezeichnet sein?
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Hi,
erst mal vielen Dank für deine schnelle Antwort!
Du schreibst, dass die Gittervorspannung sich aus der Differenz Uk - Ug berechnet. Ist es aber nicht gerade andersrum? Nach meinem bisherigen Verständnis wird ein am Gitter anliegendes Signal um den Betrag der Spannung der Kathode ins Negative gezogen, d.h. die wirksame Steuerspannung ist Ug - Uk. Wenn kein Signal anliegt wird das Gitter über den Gitterableitwiderstand Rg auf 0 V gezogen und damit ist das Gitter auf 0V - Uk = -Uk vorgespannt, was dem Arbeitspunkt im Ruhezustand entspricht.
Wird das Eingangssignal nun größer als Uk, wird die Spannung am Gitter positiv und die Elektronen landen z.T. auch auf dem Gitter. Weshalb findet hier deiner Meinung nach keine Verstärkung mehr statt? Mir will irgendwie nach wie vor nicht in den Kopf, was an dieser Stelle passiert...
Beste Grüße,
Philipp ;)
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Hi Philipp,
du hast vollkommen Recht:
Gittervorspanung = Uk-Ug
Weshalb die Röhre nichtmehr weiter verstärkt? - Sie kann in positive Richtung nichtmehr weiter aussteuern, es fliesst der Maximalstrom, mehr geht nicht. Es entsteht das Plateau.
Grüße,
Swen
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Okay, das leuchtet ein...
Habe das ganze nochmal elektrotechnisch betrachtet und bin auf folgende Überlegungen gekommen (siehe neues Schaltbild im Anhang):
Der Strom, der den Kopplungskondensator Ckop auflädt, berechnet sich doch bei Einsetzen des Gitterstromes zu
ICkop = Ig + Ug/Rg
und damit der Spannungsabfall über dem Kondensator
UCkop = CKop * dICkop/dt.
Die Ausgangsspannung der vorigen Stufe Ua1 ist bekannt. Sie setzt sich zusammen aus der Summe der folgenden Spannungen
Ua1 = Ri*ICkop + Ug + UCkop.
Ist das so korrekt?
Ri ist der ausgangsseitige Innenwiderstand der ersten Stufe. Kann ich den irgendwie näherungsweise berechnen?
Gruß Philipp.
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Ri ist der ausgangsseitige Innenwiderstand der ersten Stufe. Kann ich den irgendwie näherungsweise berechnen?
Hallo Philipp,
dieser Ri (Ra) ist in den Datenblättern angegeben, im Allgemeinen gilt: Ra=(Ub-Ua)/Ia. Es kommt dabei auf den Arbeitspunkt an, der Spannungsabfall an der Kathode muss zur Ua draufgeschlagen werden.
Gruß,
Georg
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Hallo Philipp,
dieser Ri (Ra) ist in den Datenblättern angegeben, im Allgemeinen gilt: Ra=(Ub-Ua)/Ia. Es kommt dabei auf den Arbeitspunkt an, der Spannungsabfall an der Kathode muss zur Ua draufgeschlagen werden.
Gruß,
Georg
Hi Georg,
ich dachte eigentlich, dass der Arbeitswiderstand Ra, der die Arbeitswiderstandsgerade Ia = (Ub-Ua)/Ra im Ua-Ia-Kennlinienfeld festlegt, und der im Datenblatt angegebene Innenwiderstand Ri der Röhre zwei verschiedene Parameter sind und dass sich die Ausgangsimpedanz der Röhrenschaltung irgendwie aus diesen beiden Widerständen berechnet?!
Oder sehe ich das falsch?
Gruß Philipp!
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Salü,
Der Innenwiderstand (Ri) der Röhre entspricht der Tangentensteigung im AP (Ua/Ia-Kennlinienfeld).
Der Ausgangswiderstand deiner Verstärkerstufe (also der Innenwiderstand einer realen Ersatzspannungsquelle, wenn du die Stufe als solche betrachtest) ist dann die Parallelschaltung aus Ri und Ra (Arbeitswiderstand). Dazu in Serie evtl. noch der Koppel-C (kommt drauf an wie stark du die Schaltung vereinfachst/reduzierst).
mfg sven
PS.: Was studierst du, dass du dort mit Röhren in Berührung kommst?
Edit.: Hier noch was zum Innenwiderstand der Röhre: http://www.tube-town.de/ttforum/index.php/topic,10400.msg93874.html#msg93874
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Salü,
Der Innenwiderstand (Ri) der Röhre entspricht der Tangentensteigung im AP (Ua/Ia-Kennlinienfeld).
Der Ausgangswiderstand deiner Verstärkerstufe (also der Innenwiderstand einer realen Ersatzspannungsquelle, wenn du die Stufe als solche betrachtest) ist dann die Parallelschaltung aus Ri und Ra (Arbeitswiderstand). Dazu in Serie evtl. noch der Koppel-C (kommt drauf an wie stark du die Schaltung vereinfachst/reduzierst).
mfg sven
PS.: Was studierst du, dass du dort mit Röhren in Berührung kommst?
Edit.: Hier noch was zum Innenwiderstand der Röhre: http://www.tube-town.de/ttforum/index.php/topic,10400.msg93874.html#msg93874
Hi,
ah, okay! Jetzt passt das alles irgendwie zusammen. Dann werd ich mich mal an die Arbeit machen!
Ich studiere Mechatronik und hatte eigentlich während meinem gesamten Studium nie mit Röhren zu tun. Nur jetzt für die Abschlussarbeit muss ich mich in die ganze Thematik einarbeiten. Als Gitarrist interessiert mich das natürlich doppelt, von der elektrotechnischen und der klanglichen Seite aus betrachtet ;)
Besten Dank euch allen für die Hilfe,
Gruß Philipp!
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Salü,
Schön wenn wir helfen konnten. Wenn du dich mit den Grundlagen von Röhren beschäftigen willst, kann ich dir übrigens die Bücher Hochfrequenztechnik II (wobei I und III auch nicht uninteressant sind) von Kammerloher und Elektrische Nachrichtentechnik II (da gibts auch I...III dazu) von Schröder empfehlen.
Ich studiere Mechatronik...
da sind wir schon zu zweit ;)
Kannst/willst du uns noch en bissel was zur Abschlussarbeit verraten? Wie/Warum dort Röhren verwendet werden etc. :)
mfg sven
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Ich häng mich mal ran und hätt auch gern mehr Infos zum Hintergrund :)
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Hei,
hm... ich fürchte, dass ich leider nicht viel sagen kann, weil ich die Arbeit für eine Firma schreibe.
Wie eingangs schon erwähnt, werden keine realen Röhren verwendet, sondern es geht vielmehr darum ein mathematisches Modell zu finden, um eine Röhrenschaltung digital simulieren zu können. Das ist prinzipiell nix neues, da gibts bereits einige Ansätze im Internet (vgl. http://www.normankoren.com/Audio/Tubemodspice_article.html).
Im Endeffekt ist das Thema also im Bereich digitale Signalverarbeitung anzusiedeln.
Beste Grüße!
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Hallo,
für wen schreibst du denn und in welchem Gebiet, soll diese Signalverarbeitung Anwendung finden?
Grüße,
Swen
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Läuft Ug gegen 0V oder in den positiven Bereich, beginnt das Gitter Strom zu ziehen, es entsteht der besagte Gitterstrom.
Da das Gitter meist hochohmig über einen Gitterableitwiderstand auf 0V gelegt wird, entsteht über diesem hochohmigen Widerstand eine positive Spannung durch den Gitterstrom.
Das Gitter läd sich immer weiter auf.
Ich meine das trifft so nicht zu. Durch den Gitterableitwiderstand fliesst ganz normal was am Grid (oder vor einem GridLeak Resistor) an Spannungsdifferenz zu Masse anliegt, ganz normal.
Denn wenn das Signal positiv wird am Grid gegenüber der Kathode fliesst der (technische) Strom vom Grid in die Kathode, welche ja auf Masse liegt. Also kann ja nicht der Strom von Masse über den Gitterableitwiderstand zum Grid und dann wieder zur Kathode und Masse fliessen.
Wird das Grid gegenüber der Kathode positiv dann werden die Elektronen von der Kathode (-) vom Grid angesaugt (+), also der physikalische Strom fliesst von der Kathode zum Grid und weiter zu B+, bzw. der technische genau andersrum. Die Anode kriegt davon erstmal nix mit. Ein erhöhter Spannungsabfall nach dU = R * dI tritt am Kathodenwiderstand auf. Daraus folgt die Kathode wird positiver, und das Grid dazu relativ wieder negativer.
Jetzt liegt aber im Weg vom Grid weiter zur B+ Spannungsversorgung (denn da kommt der technische Strom ja her) noch weitere Widerstände im Weg. Das können die speziell vorgesehenen GridLeak Resistor sein oder andere vor dem Gitterableitwiderstand (Spannungsteiler), bis hin zum Anodenwiderstand der vorangehenden Stufe sein, inklusive aller Filter Caps (-> blocking). Fliesst mehr Strom fällt an allen mehr Spannung ab, das Grid wird also damit negativer.
Also alles zusammen gibt es also eine Gegensteuerung zu der positiven Grid Spannung zur Kathode.
Natürlich kann dadurch das Grid zur Kathode nicht wieder negativ werden, das würde ja bedeuten die Röhre arbeitet im normalen Kennlinienfeld was ja dem Eingangssignal überhaupt nicht entspricht! Die logische Folge ist, wir erhalten eine extrem Komprimierung in einen Arbeitspunkt, was für die Anode bedeutet konstante Ausgangsspannung - ein Plateau stellt sich ein.
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Hallo zusammen,
sorry, für die späte Antwort. Ich denke, ich konnte das Problem soweit lösen. Zumindest passen die Ergebnisse und mein Verständnis von dem Effekt zusammen.
@Bierschinken: Dazu kann ich leider im Moment nichts sagen, weil die Frage der Geheimhaltung noch nicht abschließend geklärt ist. Eventuell kann ich aber zu späterem Zeitpunkt ein paar Ergebnisse der Allgemeinheit zur Verfügung stellen.
Beste Grüße,
Philipp.
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Hallo Philip,
hier findest Du jede Menge Informationen:
http://www.radau5.ch/basics.html (http://www.radau5.ch/basics.html)
Diese beide englischsprachigen Bücher sind sehr zu empfehlen:
http://www.freewebs.com/valvewizard/
Gruß
Manfred
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Hallo zusammen,
ich habe meine Arbeit soweit beendet. Da kein Sperrvermerk gefordert wurde, ist es mir nun doch möglich ein paar Worte dazu zu verlieren.
Wie ich ja bereits geschrieben habe, ging es darum, eine digitale Simulation der Kathodenbasis-Schaltung zu implementieren. Das Ganze läuft ähnlich ab wie z.B. in SPICE, allerdings lag das Hauptaugenmerk darauf, dass der Algorithmus die Schaltung weitgehend in Echtzeit simulieren kann.
Das Thema mit dem Gittestrom habe ich jetzt folgendermaßen gelöst. Zunächst habe ich das System Gitter - Kathode als Röhrendiode aufgefasst. Damit gilt für den Gitterstrom näherungsweise das Langmuir-Child'sche Raumladungsgesetz
Ig = k*(Ug - Uk)^1.5.
Ig: Gitterstrom
k: Perveanz
Ug: Spannung Gitter - Null-Volt-Potential
Uk: Spannung Kathode - Null-Volt-Potential
Ugk: Spannung Gitter - Kathode
Bei dieser Gleichung wird nur der Realteil berücksichtigt, d.h. wenn Ug < Uk wird, ist der Ausdruck in Klammern kleiner Null. Der Realteil der Wurzel einer negativen Zahl ist Null, d.h. es fließt kein Gitterstrom.
Den Gitterstrom, nach dieser Formel berechnet, kann man sich nun als ideale Stromquelle vorstellen. Damit erhält man das Ersatzschaltbild im Anhang (Abbildung 1).
Wegen der Stromteilerregel gilt dort für den Strom Ix
Ix = Ug + Ug/Rg
und wegen der komplexen Maschenregel
Ug = -Ix*(1/jwCin + Ri) + Uin.
Die drei Gleichungen führen ineinander eingesetzt auf eine ziemlich unübersichtliche, nichtlineare Differentialgleichung. Diese lässt sich im zeitdiskreten Bereich rekursiv lösen. Es kann dann abhängig von einem gegebenen Eingangssignal Uin, die Gitterspannung Ug bzw. Ugk berechnet werden.
In Abbildung 2 im Anhang sieht man das Ergebnis, das der Algorithmus für zwei verschiedene Eingangssignale ausspuckt. Die Kathodenspannung ist in beiden Fällen Uk = 5V = const, d.h. das Gitter ist um -5V negativ vorgespannt. Im oberen Bild hat das Eingangssignal eine Amplitude von 5V, d.h. am Gitter liegen maximal 0V (im Vergleich zur Kathode) an. Es fließt kein Gitterstrom. Wird die Amplitude des Eingangssignals allerdings auf 10V erhöht, dann würden zwischen Gitter und Kathode theoretisch +5V abfallen. Dazu kommt es jedoch nicht, denn sobald die Gitterspannung Ugk positiv wird, beginnt der Gitterstrom zu fließen und begrenzt durch den Spannungsabafall am Innenwiderstand der Quelle das Eingangssignal. Das sieht man deutlich am unteren Bild in Abbildung 2.
In Realität ist die Gittervorspannung bei dieser Kathodenbasis-Schaltung natürlich nicht konstant, sondern abhängig vom Kathodenstrom. In der fertigen Simulation wird das berücksichtigt, nur hier habe ich - der besseren Übersicht wegen - die Kathodenspannung konstant gehalten. Nichts desto trotz ist das Ganze lediglich eine Näherung, selbstverständlich spielen auch die Kapazitäten zwischen den Elektroden und eine ganze Reihe weiterer Effekte eine wichtige Rolle.
Ich fürchte ja, dass die Analog-Verteidiger die Kriese kriegen, wenn sie sowas hier lesen. ;) Wen es dennoch interessiert, der kann auf meiner Seite ein VST Plugin runterladen, das den Algorithmus verwendet:
http://philaudio.wordpress.com/research/tube-preamp/
Nochmals danke für eure Anregungen!
Beste Grüße,
Philipp!