whir schrieb:
Ich habe drei einfache Fragen gestellt und nicht gebeten, dass mir einer die Röhrentechnik erklärt.
Na, dann werde ich mal mein Glück versuchen.
Ausgehend von Deiner Frage geht es nicht darum, wie eine Röhre grundsätzlich funktioniert. Das kann man in verschiedenen Quellen nachlesen und das ist zumindest zum Teil auch schon in diesem Thread angerissen worden.
Du möchtest wissen, warum Röhren einen guten "Klang" haben? So denn...
1. Der ideale Verstärker...
existiert in der Realität leider nicht. Seine Übertragungskennlinie, also das Verhältnis von Ausgangs- zu Eingangsspannung ist konstant und kann durch eine lineare Gleichung beschrieben werden. Malt man das Ganze auf, so erhält man eine Gerade.
2. Der reale Verstärker
Von diesem Ideal weichen die existierenden aktiven Bauteile (Röhren, Transistoren) leider stark ab, da Ihre Kennlinien in weiten Bereichen nichtlinear sind.
So wird die Eingangskennline eines bipolaren Transistors (NPN oder PNP) durch eine Exponentialgleichung beschrieben, die in der Theorie dann gerne durch eine Knickkennlinie ersetzt wird.
Die Kennlinien von FETs oder Röhren sind mit guter Näherung quadratisch oder kubisch.
Durch geeignete Schaltungsmaßnahmen (Gegenkopplung) kann man diese gekrümmten Kennlinien ein wenig linearisieren, um dem Original näher zu kommen. Um die Abweichungen möglichst gering zu halten, betreibt man die aktiven Bauelemente an einem festgelegten Arbeitspunkt und verwendet eine möglichst geringe Aussteuerung. Ein gewisser Restfehler bleibt jedoch immer zurück.
3. Nichtlineare Verzerrungen
Steuert man eine nichtlineare Kennlinie mit einem Sinussignal aus, so wird die Signalform mehr oder weniger stark verzerrt. Wird die Eingangskennlinie übersteuert, entsteht in der Regel eine unsymmetrische Verzerrung.
Symmetrische Verzerrungen entstehen meisten, wenn das aktive Bauelement in die Sättigung (negativ oder positiv) getrieben wird. Das heißt, der Transistor muß bei einer Verstärkung von 50 und einer Eingangsspannung von 200mV am Ausgang eine Spannung von 200mV*50=10000mV=10V liefern können. Beträgt die Versorgungsspannung allerdings nur 5 Volt, gibt es ein Problem und das Signal wird ab 5 Volt abgeschnitten. Auf diese Weise kann aus einem sinusförmigen Signal leicht ein Rechteck werden.
4. Klirrfaktor und Fourier
Immer dann, wenn sich eine Signalform verändert, ändert sich das Verhältnis der im Signal enthaltenen Frequenzen. Ein Rechtecksignal besteht zum Beispiel aus dem Grundton (das war der Sinus) und ungeradzahligen Vielfachen des Grundtones (also f0, 3*f0, 5*f0,...). Die Größe der einzelnen Amplituden soll jetzt nicht diskutiert werden. Die einzelnen Vielfachen werden auch als Obertöne (1. Oberton = 2*f0) oder Harmonische (2. Harmonische=1. Oberton) bezeichnet.
Unterwirft man ein verzerrtes Signal einer Fourierreihenentwicklung, so erhält man genau diese Liste der Frequenzen für ein Rechteck. Die Eintonaussteuerung einer nichtlinearen Kennlinie erzeugt also neue zusätzliche Frequenzen, die vorher nicht im Signal enthalten waren. Man kann in diesem Zusammenhang auch über eine Klangerweiterung sprechen. Aus dem Ton wird ein Multiton.
Messen kann man das ganze mit einem Klirrfaktormeßgerät. Der Klirrfaktor selbst ist das Verhältnis der Amplituden der unerwünschten Harmonischen zur Amplitude aller Harmonischen. Gibt es keine zusätzlichen Frequenzen, so ist der Klirrfaktor 0!
5. Mehrtonaussteuerung
In der Praxis kommte jedoch kaum vor, daß ein Verstärker mit nur einer Frequenz ausgesteuert wird. Bei der üblichen Mehrtonaussterung entstehen zu den Harmonischen jetzt zusätzlich Summen- und Differenzfrequenz aller beteiligten Eingangsfrequenzen. Damit wird es schon recht eng im Spektrum.
6. Klirrfaktor und "Klang"
Ein Schallereignis wird von uns als "klingend" empfunden, wenn alle beteiligten Frequenzen ein Vielfaches eines gemeinsamen Grundtones sind. Liegt diese mathematische Beziehung nicht vor, so spricht der Techniker von einem Geräusch.
Auch wenn wir mit der Gitarre eine Mehrtonaussteuerung vornehmen, ist das Resultat immer ein Folge von ganzzahligen Vielfachen des Grundtones. Der hörbare Unterschied manifestiert sich in der Intensität (Lautstärke) der erzeugten Obertöne.
7. Röhre kontra bipolarer Transistor
Diese beiden Bauelemente verhalten sich bei einer Übersteuerung sehr unterschiedlich. Bei bipolaren Transistoren gibt es eine scharfe Grenze, ab der die Verzerrung einsetzt. Aus dem ursprünglichen Sinus wird dann leicht eine Signalform mit Rechteckcharakter. Das dabei entstehende Spektrum reicht weit über den Hörbereich hinaus. Ein ursprünglich weicher Ton wird dann rauh und kratzend.
Bei einem Röhrenverstärker setzen die Verzerrungen langsam ein und werden dann immer stärker. Hier ist die Intensität der erzeugten Obertöne wesentlich geringer, sodaß mehr vom Originalklang erhalten bleibt. Es werden hauptsächlich die 2. und 3. Harmonische erzeugt. Aus diesem Grunde sagt man auch, ein Röhrenverstärker würde "klingen".
FETs haben übrigens Kennlinien, die denen der Röhre recht ähnlich sind.
Zusammenfassung
Verglichen mit einem idealen Verstärker sind beide Konzepte nicht optimal, denn ein Verstärker soll nicht "klingen", das heißt neue Frequenzen dazu erfinden!
Aus Sicht der Übertragungstechnik bringt die Verwendung von Röhren keinen wirklichen Vorteil. Bipolare Halbleiter sind eindeutig besser, billiger und zuverlässiger! Aufgrund der erzeugten Obertöne sorgt die Röhre im Übersteuerungsfall jedoch dafür, daß das Signal am Ausgang ein wenig voller klingt, was mit bipolaren Transistoren so nicht möglich ist.
Für den Einsatz in der Audiotechnik sind Röhren also wirklich überholt. Halbleiterschaltungen liefern hier eindeutig die besseren Ergebniss. Der entstehende Klirrfaktor ist leicht unter 0,5% oder weniger zu halten.
Für den Gitarristen haben Röhrenverstärker denoch eine gewisse Bedeutung behalten, da diese Verstärker in gewisserweise auch die Aufgabe eines Effektgerätes wahrnehmen. Die nichtlinearen Verzerrungen sind jedenfalls eindeutig in den Bereich der Effekte einzuordnen!
Alle existierenden Klischees zum Thema Röhre vs. Transistor sind in diesem Übersteuerungsverhalten begründet.
Auch das Märchen, daß Röhrenverstärker lauter sind, ist nur etwas für Nichttechniker. Tatsache ist, wenn man beide Verstärkertypen bei gleicher Aussteuerung mit gleichem Kirrfaktor betreibt, so liefern beide die gleiche Leistung und im Betrieb an einem identischen Lautsprecher entsteht dann der gleiche Lautstärkeeindruck.
Das sich diese Aussage trotzdem so hartnäckig hält liegt einfach daran, daß man einen Röhrenverstärker leicht übersteuern kann, so mehr Leistung am Ausgang erhält und es trotzdem nicht schlecht klingt. Dieser Betriebsfall läßt sich jedoch nicht mit einem normalen Transistorverstärker vergleichen!
Ulf
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