Ultralinear

Rund um den Begriff "Ultralinear" gibt es einige Ungereimtheiten und Besonderheiten, die es aufzuzeigen gilt.

Zunächst: Ultralinear ist eine besondere Art der Gegenkopplung. Wenn also ein Purist einen Verstärker ohne Gegenkopplung will, weil diese ja die Fehler nur "verschleppt" (weil sie zu spät kommt), statt sie zu verhindern, so ist für ihn eine Ultralinearschaltung ebenfalls tabu (oder hat es zu sein!).

Folglich haben wir zuerst die Gegenkopplung als solches zu betrachten. Richtig ist, dass die Gegenkopplung nichts "verhindert" sondern nur korrigiert. Sie ist, um es mit der Regeltechnik zu vergleichen, eine Rückwärtsregelung, welche zwangsläufig einen minimalen Regelfehler braucht, um regeln zu können (ausser man nimmt einen definierten Punkt als Arbeitspunkt an und korrigiert die dort entstehenden Fehler statisch). Wir könnten, wenn wir so eine Regelung aufbauen, diese nur zu 50% wirksam werden lassen, das Regelsignal aber nicht nur rückwärts sondern zusätzlich auch vorwärts auf die nachfolgende Stufe wirken lassen und damit den Fehler (bei idealem Abgleich) zu 100% kompensieren.

Das ist aber wieder nicht unproblematisch, weil wir dann irgendwo (bei der Last oder der Verstärkung oder wo auch immer) konstante Verhältnisse haben müssten, die es so nicht wirklich gibt.

Als Vergleich könnte man die SRPP-Schaltung betrachten, die einen minimalen Klirr aufweist, ohne Gegenkopplung. Hierbei wird die Kennlinienkrümmung, welche letztlich für den Klirr verantwortlich ist, durch eine zweite Röhre kompensiert, welche die gleich krumme Kennlinie besitzt. Voraussetzung ist eine definierte und feste Last und zwei absolut identische Röhren (was es nicht gibt).

Was uns also in der Praxis bleibt ist die Gegenkopplung als "Nach-Regelung".
Hier der zweite Teil der Betrachtung. Eine Endröhre wie etwa die EL84 kann theoretisch auch als Senderöhre eingesetzt werden. Dass dies nicht gemacht wird hat verschiedene Gründe (es gibt geeignetere Röhren), wäre aber nicht unmöglich. Das bedeutet, dass diese Endröhre Frequenzen von 100MHz verarbeiten kann. Das ist 5000 mal mehr als unsere Hörgrenze beträgt. Oder anders gesagt: Um die Röhre als Tonendröhre zu betreiben würde es ausreichen, wenn sie 5000 mal langsamer wäre. Erst dann könnte sie das Tonsignal wirklich so verzögern, dass sie mit einer Gegenkopplung zu spät käme.

Zu erwähnen ist, dass bei einer Gegenkopplung (an der Röhre) die Gegenkopplungsspannung der angelegten Eingangsspannung entgegen wirkt und diese somit verringert, wie immer das auch konkret gelöst wird. Um den Faktor, um welchen die Verstärkung reduziert wird, wird auch die Verzerrung reduziert. Voraussetzung ist, dass es keine Phasenfehler zwischen dem Eingangssignal und dem Gegenkopplungssignal gibt. Wird nämlich das Gegenkopplungssignal über der Frequenz gedreht (durch den Trafo-Einfluss oder RC-Glieder), so wird es zu einer Mitkopplung, was das Signal nicht verkleinert sondern vergrössert, bis die Schaltung schwingt.

Nun haben wir in einem Verstärker nicht nur die Röhren, sondern viele weitere Konstruktionen, welche die Grenzfrequenz beeinflussen.
Solange es sich um Widerstände und Kondensatoren handelt ist deren Einfluss berechenbar und leicht ersichtlich. Prinzipiell wäre dies auch bei Induktivitäten so, hätten wir da nicht Unlinearitäten des Eisens, Wirbelstromverluste (die frequenzabhängig sind), Streu-Induktivitäten und -Kapazitäten und ähnliches. Das sind alles Dinge, über die sich ein Trafo-Datenblatt ziemlich ausschweigt und die sich somit einer Berechnung entziehen. Ob es letztlich funktioniert zeigt meist erst der tatsächliche Aufbau.
Es macht daher Sinn, diese Verzerrungen zu reduzieren und das ist nur in einem bestimmten Umfang mit einer Gegenkopplung möglich.

Dazu eine erste Betrachtung. Eine Schaltung mit Gegenkopplung wird immer dann kritisch, wenn bei einer bestimmten Frequenz aus der Gegenkopplung eine Mitkopplung entsteht und die Systemverstärtkung über 1 wird. Dies gilt für Röhren und Halbleiter gleichermassen. Man kann sich auch eine Dampfmaschine vorstellen (oder einen Motor), welche einen Fliehkraft-Regler antreibt. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:Fliehkrafregler.PNG . Mit der Position der Gewichte wird der Dampfstrom (oder die Betriebsspannung des Elektromotors) verändert. Je nach mechanischer Übersetzung bei der Ventil- (oder Potentiometer-) Steuerung reagiert die Geschichte steiler oder flacher, schneller oder träger und damit kann die Sache ins Pendeln (= schwingen) geraten. Es ist also keineswegs nur ein elektrisches Problem!

Wenn wir also eine Konstruktion haben mit Verzögerungen, mit Grenzfrequenzen und folglich mit Phasendrehungen, kann es zur Schwingung kommen, wenn gleichzeitig die Verstärkung hoch genug ist.
Bauen wir also ein elektronisches Gerät mit einer Verstärkung von >1.414, einer Gegenkopplung und einer Grenzfrequenz, so kann dieses mit dieser Frequenz zu schwingen beginnen. Bei einer höheren Frequenz ist die Phasendrehung stärker, sodass es zu einer Mitkopplung kommt. Andererseits ist aber dank der Grenzfrequenz (Tiefpass) die Verstärkung fallend. Deutlich höhere Frequenzen sind so weit reduziert, dass die Verstärkung unter 1 fällt, also ist ein Schwingen nicht möglich.
Bei tieferen Frequenzen ist zwar die Verstärkung grösser, aber die Phasenbedingung ist nicht erfüllt, also bleibt die Gegenkopplung erhalten. Und genau im Übergangsbereich kann es dazu kommen, dass V>1 und die Phase >90° (gegenüber der Gegenkopplung) wird.

Der Vollständigkeit halber ist zu erwähnen, dass ein einfaches RC-Glied die Phase bei der Grenzfrequenz nur um 45° schiebt, dass folglich eine Schwingung noch nicht möglich ist, dass aber ein Tiefpass mit mehreren frequenzbestimmenden Gliedern in der Summe sehr wohl eine Phasendrehung von 180° erreichen kann.
Nehmen wir nun an, wir hätten einen Verstärker mit einem Tiefpass, welcher eine Phasendrehung von 120° bei einer Frequenz von 10kHz erreicht und dieser Tiefpass dabei das Signal um 40dB dämpft. Haben wir eine Verstärkung des Systems von 40dB ist sie in der Summe 1 und damit wird es kritisch.

Betrachten wir eine beliebige Röhrenschaltung, so haben wir immer Tiefpässe in Form von Eingangs- und Verdrahtungskapazitäten und Innenwiderständen. Und diese Einflüsse sind in der Summe deutlich kritischer als bei den niederohmigen Halbleiterschaltungen.
Und wir haben bei Endstufen (in der Regel) immer einen Ausgangstrafo mit all seinen Unzulänglichkeiten und Resonanzen. Wir bekommen also echte Phasenprobleme. Wenn wir jetzt eine Gegenkopplung einbauen wollen, so müssen wir (im Gegensatz zu Halbleiterschaltungen ohne Trafo) die Verstärkung begrenzen. Bei Operationsverstärkern haben wir Verstärkungen von bis zu 120dB (1 Million), gegengekoppelt aber um 1! Das ist bei Röhren unrealistisch. Da haben wir im Extremfall etwa 26dB Verstärkung (20 fach) welche auf 1 reduziert wird.

Warum diese ganze Erklärung und was hat dies mit Ultralinear zu tun?
Generell haben wir gesehen, dass ein erheblicher Teil der Verzerrungen aus dem Trafo stammt. Es macht daher Sinn, den Trafo in Gegenkopllung(en) einzubinden.

Hier ein möglicher Verstärker. Die Gegenkopplungen sind violett eingezeichnet und die gleichphasigen Signalteile sind mit roten Punkten markiert. Die gelb markierten Angaben sind Betriebsspannungen, blau sind die dort zu messenden Gleichspannungen, rot die zu messenden Wechselspannungen und grün ist die Verstärkung der PC86 zusammen mit der 6SN7.

Wir sehen, wenn wir uns mal nur auf die Gegenkopplung konzentrieren, dass wir am Eingang eine NF-Spannung von 775mV annehmen. Am Gitter der oberen PC86 haben wir 121,4mV. Das Eingangssignal kommt über die 47k ans Gitter und über 1M gelangt die Ausgangsspannung von 14.14V ebenfalls ans Gitter, allerdings mit umgekehrter Phase (rote Punkte beachten).
Aus dem Widerstandsverhältnis 47k zu 1M und dem Spannungsverhältnis 775mV und 14.14V ergibt sich eigentlich die Gitter-Wechselspannung von 121.4mV.
Würde man die 1M entfernen, so hätten wir am Gitter der PC86 die vollen 775mV, mit der Gegenkopplung nur die 121.4mV, macht also eine Gegenkopplung von 775 / 121.4 = 6.384. Das liegt eindeutig unter dem kritischen Bereich von >20.

Nun haben wir aber eine zweite Gegenkopplung. Diese führt von einer separaten Ausgangswicklung mit 2 x 15V~ (symmetrisch) an die Endröhren-Katoden. Das bedeutet, dass den Endröhren-Gittern zur Ansteuerung eine um 15V höhere Speisung zuzuführen ist. Zu beachten ist, dass es sich also bei den 56V~ am Gitter um eine Effektivspannung handelt und die Treiberstufen somit je 130V SS liefern müssen. Die Treiberschaltung muss folglich dazu in der Lage sein. Weiter sehen wir, dass diese Katoden-Gegenkopplung NUR die Unzulänglichkeiten von Endröhre und Trafo ausgleicht, nicht aber jene der Treiberstufen. Das Verhältnis beträgt Ug Endröhre mit Gegenklopplung (56V) zu Ug ohne Gegenkopplung (41V) und liegt somit bei 1.366
Beide Gegenkopplungen zusammen ergeben einen Faktor von 8.657 und sollten in sich noch unkritisch sein. Dies vor allem, weil Phasendrehungen der Treiberschaltung nur in der Überalles-Gegenkopplung wirksam werden.

An dieser Stelle mal eine erste Verstärkungs-Betrachtung. Die Gegenkopplungen, die wir bis hierher verbaut haben, haben keinen Einfluss auf die Ausgangsleistung, denn den Verstärkungsverlust können wir mit einer entsprechenden Schaltungsauslegung (PC86 mit der ersten Triode der 6SN7 ergibt eine Cascode-Schaltung) problemlos ausgleichen.

Betrachten wir die dritte Gegenkopplung, so ist dies jetzt die Ultralinear, also die Schirmgitter-Gegenkopplung. Hier ist zunächst massgebend, an welchem Punkt am Trafo das Schirmgitter angeschlossen ist. Das ist auf 43% festgelegt. Die Wechselspannung am Schirmgitter beträgt also 43% der Anoden-Wechselspannung.
Jetzt müssen wir uns mal ein paar Kennlinien betrachten und einige weitergehende Überlegungen anstellen.

Dass hier erst mal Kennlinien der 6V6 zu sehen sind ist bedeutungslos, denn es geht nicht um die konkreten Kennlinien, sondern um das Prinzip. Nur wenn dieses klar ist, kann die Konsequenz bei jeder beliebigen Röhre erfasst und berechnet werden.
Die erste Kennlinie zeigt, wie sich der Anodenstrom der Röhre (bei fixem Gitter und fixer Anodenspannung) als Folge der Schirmgitterspannung ändert.

Eine Änderung der Schirmgitterspannung von 250V auf 150V führt zu einer Stromänderung von 112mA auf 57mA.
Die zweite Kurve zeigt, wie sich der Anodenstrom bei fixer Anoden- und Schirmgitterspannung als Folge der Ug1 ändert.

Hier fällt auf (welch ein Zufall, darum die 6V6!) dass Ia bei Ug1 NULL 112mA beträgt, bei Ug1 rund -10V aber 57mA.
Das bedeutet, dass wir mit 10V Ug1-Änderung das Selbe erreichen wie mit 100V Ug2-Änderung. Die Verstärkung des Steuergitters gegenüber dem Schirmgitter ist also 10.
Das müssten wir nun auf die EL34 anwenden, also die entsprechenden Kennlinien heraus suchen, wenn wir es in der vorliegenden Schaltung einsetzen und berechnen wollen.

Nehmen wir nochmals die 6V6 zur Hand, dann sehen wir im folgenden Kennlinienfeld

dass die Auswirkungen einer Gitterspannungsänderung von 5V (gelbe vertikale Striche) nicht bei allen Bereichen auf der Gitter-Kennlinie gleich bleiben. Die Unterschiede der resultierenden Stromänderung sind hier eindeutig, was Klirr bedeutet!
Und wir sehen auch, dass eine symmetrische Aussteuerung (-9V Ug1 als Arbeitspunkt) von 0 bis -18V einmal eine Anodenspannunsänderung von 250 auf 415V ergibt, andererseits aber auch 55V von 250V. Die Änderung ist somit einmal 165V und einmal 195V.

Hier das Selbe für die EL34:

Auch hier ist (bei voller Ausnützung der Röhre) ein erheblicher Klirr festzustellen. Zu sagen ist aber auch, dass man mit 2 EL34 100W raus bekommt ohne Gegenkopplung, allerdings bei 5% Klirr!
Wir haben uns auf 25W beschränkt. Damit brauchen wir keine so hohe Betriebsspannung und können die Gegenkopplung der Ultralinearschaltung nützen. Jetzt müssten wir nur noch wissen, wie hoch diese ist. Im Datenblatt steht für das Schirmgitter eine Verstärkung von 11, also wird eine Schirmgitter-Änderung von 11V die gleiche Wirkung haben wie 1V Steuergitter-Änderung.

Also rechnen wir mal an unserer Beispielschaltung rum. Wir haben eine Ausgangsleistung von 25W und einen Arbeitswiderstand zwischen beiden Anoden von 6k. Das ergibt eine Wechselspannung (Uaa) von 387.3V eff, pro Röhre also 193.65V. Das Schirmgitter ist jeweils bei 43% angeschlossen und bekommt folglich eine Gegenkopplungsspannung von (43% von 193.65V) 83.27V, was einer entsprechenden Steuergitter-Spannung von (83.27 / 11 =) 7.57V entsprechen würde. Und wir haben ja gesehen, dass wir eine Eingangsspannung von 41V eff. (ohne die Katoden-Gegenkopplung) haben müssen. Also wäre die Gitterspannung ohne Ultralinear (41 - 7.57 =) 33.43V. Und dies ergibt einen Gegenkopplungsfaktor von 1.226.
Rechnen wir nun dies zur bisherigen Gegenkopplung dazu, so ergibt dies (8.657 * 1.226 =) 10.6 und damit liegen wir schon nahe an der Grenze des Machbaren. Weil wir aber die Gegenkopplungen aufgeteilt haben, sollten die einzelnen Bereiche noch "überschaubar" sein.

Was jetzt noch zu überlegen ist, ob es Sinn macht, die Gegenkopplung über das Schirmgitter "abzuwickeln". Wenn ich nämlich die Kennlinie mit der Schirmgitterspannung im Verhältnis zum Anodenstrom betrachte, so ist ersichtlich, dass diese Kennlinie nicht linear ist. Die Auswirkungen auf den Anodenstrom sind bei der 6V6 bei Schirmgitterspannungen zwischen 250V und 200V 29mA, bei einer Schirmgitterspannung zwischen 200 und 150V aber nur 26mA. Wenn wir also die Gegenkopplung über das Schirmgitter auslösen, so bekommen wir diese Unlinearität der Röhre mit in die Gegenkopplung und damit ist ein Teil der positiven Wirkung verschenkt.

Und dazu ein paar Gedanken:
Im normalen Betrieb sollte das Schirmgitter die Rückwirkung der Anode verhindern oder zumindest mildern. Es ist aber nicht vorgesehen, die Röhre über das Schirmgitter zu steuern. Eine Linearität ist also nicht nötig. Vorteilhaft ist es aber, wenn der Schirmgitterstrom als "Abfall" nicht unnötig hoch wird. Je nach Anordnung und Ausgestaltung des Schirmgitters kann man dieses linear werden lassen, allerdings mit einem etwas höheren (Verlust-) Strom versehen. Oder man kann die Gitterdrähte so anordnen, dass sie sich hauptsächlich im "Schatten" hinter den Steuergitter-Drähten verstecken. Dies führt eher zu einer Unlinearität, verringert aber den Schirmgitterstrom. Die Unlinearität spielt so lange keine Rolle, als wir eine konstante Schirmgitterspannung haben, also kein Ultralinear.
Nehmen wir Röhren wie die KT66, so ist die Linearität des Schirmgitters deutlich besser, denn diese sind explizit für den Ultralinearbetrieb gebaut..

Hier sind die Abweichungen relativ gering und damit kann die Ultralinear ihr volles Potential ausspielen.
Das bedeutet, dass eine Ultralinearschaltung nicht zwangsläufig Vorteile haben muss, dass es also im Wesentlichen von der Röhre abhängt, ob man damit Erfolg hat oder nicht.

Rein auf die Verzerrungen bezogen bekommen wir generell unterschiedliche Ergebnisse. Sicher ist, dass der Klirrgrad mit steigender Leistung zunimmt. In der Regel gibt es ein relativ lineares Verhältnis zwischen Leistung und Klirr. Hier als Beispiel die EL34 in Gegentakt als Triode.

Nicht ganz so linear verläuft die Sache bei Pentodenbetrieb, weil sich da bei steigender Leistung neben K2 auch K3 bildet, zu sehen an dieser Kennlinie

Sobald wir mit Gegenkopplungen, also Ultralinear arbeiten bekommen wir einen erst flacheren, dann steileren Verlauf der Klirrkurve

Auf diesem Verlauf basiert unser Verstärker. Zu sehen ist einmal dass es sich um die Ultralinear-Schaltung mit 43% Schirmgitter-Ansteuerung handelt und dass zweitens genau die Vorgaben unserer Schaltung, auch werte-mässig, eingehalten sind. Bei 25W bekommen wir einen Klirrwert von 0.4%. Nun haben wir aber neben der Ultralinear-Gegenkopplung noch die Katoden-Gegenkopplung und die Überalles-Gegenkopplung, was zusammen einen Faktor von 8.657 ergibt. Somit bekommen wir einen Gesamtklirr von 0.0462%

Was jetzt noch fehlt ist der Leistungsverlust der Ultralinear.
Betrachten wir unsere Schaltung, so haben wir in den Endröhren-Katoden nicht nur die Trafo-Wicklung, sondern auch die überbrückten Widerstände zur Gittervorspannungs-Erzeugung. Wir bekommen eine Gittervorspannung von 34 bis 39V. Diese Vorspannung haben wir, egal, ob es sich um eine normale oder eine Ultralinear-Schaltung handelt. Somit, wenn wir das Gitter bis 0V aussteuern, haben wir einen Aussteuerbereich von (2* -Ug1), also maximal 78V SS. Dies ist durch die Gittervorspannung und 0V definiert.
Wir haben aber gesehen, dass die unkonstante Schirmgitterspannung wie eine reduzierte Steuergitter-Spannung wirkt und daher die Anoden-Wechselspannung reduziert wird, was die Ausgangsleistung reduziert. Wenn wir also von einer Wirkung des Schirmgitters von 1.226 ausgehen, so wird die Anodenspannung um diesen Faktor reduziert. Und da mit sinkender Ausgangsspannung auch der Strom im selben masse abnimmt, reduziert sich die Ausgangsleistung um das Quadrat dieses Faktors. Wir haben also mit der Ultralinear eine Leistungseinbusse von Faktor 1.5 oder anders gesagt: Ohne Ultralinear hätten wir nicht 25W Ausgangsleistung sondern 37.5 bei der gleichen Ansteuerung.
Nun stimmt das nicht ganz, denn das Schirmgitter zieht bei Steuergitter Null Volt mehr Strom als bei Minus am Steuergitter. Die Ansteuerung am Steuergitter verändert folglich nicht nur den Anodenstrom, sondern im gleichen Sinn auch den Schirmgitterstrom. Und da dieser ebenfalls durch einen Teil des Ausgangstrafos fliesst, ergibt dies eine kleine zusätzliche Leistung. Es ist aber nur etwa 1.75W und somit nicht von Bedeutung.

Fazit:
Man kann sich fragen, welche Art von Gegenkopplung die beste sei. Generell bekommen wir aus der Röhre einen bestimmten Klirr in Abhängigkeit der Ausgangsleistung. Und generell können wir diesen Klirr in dem Masse reduzieren, wie wir die Schaltung gegenkoppeln. Haben wir z.B. eine Leistung von 50W bei 5% Klirr, so können wir eine Gegenkopplung von 10 (20dB) einsetzen und damit einen Klirr von 0,5% bei 50W realisieren. Dies zumindest mit der Überalles-Gegenkopplung. Diese schliesst ja die ganze Schaltung ein, wirkt also auch auf den Klirr von Vor- und Treiberstufe. Dafür ergibt die komplette Schaltung auch höhere Phasenprobleme und damit erhöhte Schwingneigung.
Wenn wir die Gegenkopplung nur über Ausgangstgrafo und Endröhre verwirklichen (Katode der Endröhre oder Ultralinear) müssen wir die Phasen- und Treiberstufe klirrfrei realisieren. Und bei Ultralinear haben wir einen Leistungsverlust und allenfalls weiteren Klirr aus der Schirmgitter-Unlinearität, bei der Katodengegenkopplung einen höheren Treiberspannungs-Bedarf und daher mehr Klirr in der Treiberstufe.

Was im Einzelfall angesagt ist, hängt sicher von den verwendeten Endröhren ab. Und wenn man die Datenblätter studiert, so sieht man, dass die KT-Typen eigentlich durchwegs in Ultralinear betrieben werden. Die EL34 wird in Ultralinear nur gerade bei Mullard erwähnt. Und man ist da jeweils eingeschränkt, weil diese Röhre zwar eine Anodenspannung von 800V verträgt, aber nur eine Schirmgitterspannung von 500V.
Macht man eine geteilte Gegenkopplung, kann man diese Probleme umgehen. Wenn aber etwas schwingt wird es schwierig, weil man dann die Gegenkopplungs-Zweige einzeln untersuchen muss und diese wieder aufzudröseln ist nicht ganz einfach...