Eine Simulation einer Universal Hybrid Gegentakt Endstufe mit Dämpfungssteller, Röhren-Kennlinieneinstellung und einstellbarer globaler Gegenkopplung.
Der hier gezeigte Schaltungsvorschlag und Simulation einer Hybrid Endstufe zeigt einen hochqualitativen, universellen und trotzdem preiswert aufzubauenden Hybrid- Endverstärker bei dem sich drei wichtige Parameter eines Endverstärkers stufenlos per Poti einstellen lassen:
1. Kennlinie: Stufenlose Einstellung von Pseudo trioden schaltung über Ultra-linear- bis hin zur reinen Pentoden schaltung.
2. Dämpfungsfaktor bzw. Ausgangswiderstand der Endstufe.
3. globale Spannungs Gegenkopplung
Bild: Hybrid mit Pentode:
(R22+R24 = Poti 1k lin. = Triode -> Ultralinear -> Pentode)
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Jedes Potentimeter kann auch durch Festwiderstände bzw. Trimmpotis ersetzt werden, je nach Geschmack. Mit dem Wert von R5 und R15 kann die Empfindlichkeit eingestellt und damit an die Verstärkung und Steilheit der verwendeten Röhre angepasst werden.
Am Eingang befindet sich ein Differenzverstärker, der in Richtung zur negativen Betriebsspannung hin mit einer so genannten Kaskode Schaltung (Q14+Q15) in jedem Zweig des Differenzverstärkers ergänzt wurde. Dadurch schwankt die Kollektor Spannung der Transistoren des Differenzverstärkers kaum und diese arbeiten dadurch sehr linear. Durch die relativ großen Emitterwiderstände des Differenzverstärkers wird dessen Verstärkungsfaktor herab gesetzt und eine hohe lokale Stufengegenkopplung erreicht, was der Linearität des Eingangs Differenzverstärkers zu Gute kommt. Auch die Stromverstärker Halbleiter Endstufe hat eine starke lokale Gegenkopplung, da sie als Spannungsfolger arbeitet. Die Röhre ist bei R7 < 1kOhm mit weniger als 1% spannungs gegengekoppelt. Bei R7 = 1 Ohm beträgt die globale Gegenkopplung der Röhre für Wechselstrom nur 1 noch Promille.´
Durch die starke lokale Gegenkopplung des Differenzverstärkers und der Endtransistor Kombination bleibt die offene Gesamt Spannungsverstärkung (R7 = 1 Ohm) der gesamten Endstufe weit unter 100, was Transientverzerrungen durch hohe Gegenkopplung über Alles grundsätzlich vermeidet. Im positiven Zweig des röhrenbestückten Treibers arbeitet eine Halbleiter Konstantstromquelle. Im negativen Zweig des Treibers arbeitet wahlweise ein System einer Triode, Tetrode oder Pentode in Klasse A Betrieb. Andere Röhrentypen als in der Simulation angegeben können natürlich auch verwendet werden, wenn die Schaltung entsprechend angepasst wird. Auch die Halbleiter Endstufe kann bei Bedarf einfach auf andere Betriebsspannungen und Ausgangsleistungen um dimensioniert werden. Da die Versorgungsspannung der Halbleiter Endstufe geringer als die der Röhrensufe gewählt wurde, kann es bei Übersteuerung zu Clipping kommen. Daher sollte die Röhren-Anodengleichspannung (hier ca. 85V) nur etwa doppelt so hoch wie die Halbleiter Endstufen Betriebsspannung (hier 30V) gewählt werden um den Spannungs- Aussteuerbereich der Halbleiter Endstufe an den Aussteuerbereich der Röhre anzugleichen. Ideal und ohne Clipping Verzerrungen befürchten zu müssen währen gleiche Betriebsspannung für Röhre und Halbleiter Endstufe. Leider entstehen dabei hohe Verlustleistungen in den Endtransistoren bei hoher Aussteuerung und der Ruhestrom der Hableiter Endstufe ist bei hoher Betriebsspannung nur schwer zu stabilisieren.
Bild: Hybrid mit Triode
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Benutzt man eine Pentode besteht die Möglichkeit mit einem Poti (R22+R24) zwischen Pseudotriodenschaltung (Gitter 2 mit Anode verbunden) gleitend zum Pentodenbetrieb (G2 mit Masse Verbunden) überzublenden, wobei der Zwischenbereich als Ultralinearschaltung bezeichnet wird. Die Halbleiter Folger Endstufe in Verbindung mit den Widerständen R25 und R26 sorgen für eine konstante und einstellbare Stromverstärkung (VI) nach dem Röhrentreiber. Zusammen genommen ergibt sich eine "Riesenröhre" die mehrere Ampere Anodenstrom bei einer Anodenspannung von etwa 40 Volt abgeben kann. Die Steilheit beträgt bei der Hybridröhre mehrere Ampere pro Volt und der Innenwiderstand liegt im einstelligen Ohm Bereich. So eine Röhre wurde noch nie gebaut, währe aber zum OTL (-Ausgangsübertrager losen) Betrieb von 4- oder 8 Ohm Lautsprechern nötig.
Die Daten der Hybridröhre ergeben sich zu:
Innenwiderstand = Innenwiderstand der Röhre / VI
Steilheit = Steilheit der Röhre mal VI
Der Durchgriff (1/µ) der Röhre und damit die Spannungsverstärkung bleibt unverändert, VI ist der konstante Stromverstärkungsfaktor der Halbleiter Endstufe.
Die Barkhausengleichung:
Ri x S x D = 1
...gilt auch bei der „Riesenröhre“.
Herkömmliche Röhren Hybrid Endstufen schalten einer Röhre einen BJT- oder Mosfet Spannungsfolger nach (ohne R25+R26). Dieser Folger kann jedoch den Einfluss des Lautsprechers auf die Treiber röhre (-und umgekehrt) kaum realisieren und hat i.d.R. einen linear- und nichtlinear verzerrten Eingangswiderstand.
Anders bei der hier gezeigten Hybrid Endstufe, diese hat durch die Beschaltung mit R25+R26 einen definierten, konstanten (und damit linearen) Eingangswiderstand.
Das Prinzip der konstanten Stromnachverstärkung lässt eine stufenlose Einstellung der Stromverstärkung - und damit des Röhrentreiber- Lastwiderstands zu. Dynamische Änderungen der Lautsprecher Impedanz und Blindwiderstände werden direkt an die Treiber röhre weiter gegeben, so als hätte man einen Ausgangsübertrager mit stufenlos einstellbarem Übersetzungsverhältnis. Dazu dient der "Dämpfungssteller" R25, der den Dämpfungsfaktor zwischen etwa 1 und 30 einstellbar macht, je nach Impedanz des angeschlossenen Lautsprechers und Einstellung des Dämpfungsstellers.
Da der Verstärker Gleichstrom gekoppelt ist wird es weiterhin möglich, eine stufenlose Einstellung der Gegenkopplung über Alles per Poti R7 vorzunehmen. Mit einem 10kOhm Poti ist eine Einstellung dieser Gegenkopplung über Alles zwischen Null und 10% möglich.
Das Resultat ist eine Röhren Hybrid Endstufe die mit drei Potis pro Kanal, welche eine individuelle Einstellung und Anpassung an Lautsprechereigenschaften und Hörgewohnheiten zulässt.
Zip Datei mit Simulation und den nötigen Röhrenmodellen zum Download (8 KB)
Im Zipfile (8kB) findet Ihr: Simulation für 6DJ8/ECC88 und für 6V6 sowie beide Röhrenmodelle von Duncanamps. Das Model dm6v6_benno.inc ist ein an LTSpice angepasstes Model von Duncanamp's Original dm6v6.inc. Es liefert die gleichen Ergebnisse, jedoch ohne Fehlermeldungen “curly braces..” im Spice Error Log.
Viel Spass beim Simulieren und ggf. beim praktischen Aufbau der Schaltung wünscht Euch euer Bastelbenno !