Messungen zur RENS1374d

Die RENS1374d war 1932 die erste indirekt geheizte Lautsprecher-Röhre auf dem deutschen Markt. Andererseits hatte sie "ein langes Leben", denn sie wurde auch noch bis 1948/49 gefertigt, u.a. weil sie bei der Post verwendet wurde. So wird verständlich, daß die RENS1374d im Laufe der Zeit einige Modifikationen erfuhr.

Die zur RENS1374d veröffentlichten Datenblätter geben allerdings gewisse Rätsel auf, weil die darin publizierten Werte nicht zusammen passen. Die hier getätigten Messungen sollen diesen Sachverhalt abklären.

Datenblätter zur RENS1374d

Das TFK Datenblatt vom Dez. 1932 benennt erstmals die Daten der Röhre, allerdings ohne den günstigsten Außenwiderstand anzugeben. Der Schirmgitter-Strom "Js" (I_g2) kann aus dem Kennlinen-Feld entnommen werden. Bezogen auf den Anodenstrom ist er prozentual höher, als bei späteren End-Pentoden. Daraus kann gefolgert werden, daß die Drähte des Schirmgitters nicht im "Schatten" der Gitterdrähte verlaufen, wie das bei späteren Leistungs-Pentoden üblich ist.

In diesem Datenblatt gibt es einen Widerspruch:

• Während U_{a_max} = 250V angegeben ist, gibt es eine Kennlinie mit U_a = 300V (!) und U_g2 = 200V.

Auf der linken Seite des Datenblattes ist die damalige Form des Röhren-Kolbens dargestellt. Spätere RENS1374d haben alle den "Dom-Kolben", der dem Röhrensystem am oberen Ende Stabiltät gegen Verbiegen verleiht.

Ein Erläuterungs-Blatt (537.M. => Mai 1937 ?) benennt den günstigsten Außenwiderstand zu R_a = 16 kΩ.

Das hier gezeigte Schaltbeispiel für eine Endstufe mit der RENS1374d (mit Vorwiderstand für das Schirmgitter) findet sich entsprechend bei vielen "größeren" Geräten wieder, während "einfachere" Geräte (z.B. Einkreiser) auf den Vorwiderstand verzichten.

Weitere Informationen zur RENS1374d aus "Ratheiser: Rundfunk-Röhren, 3.A., 1938, S. 221", entsprechend zum "Erläuterungs-Blatt" von TFK; dort sind auch beide Schaltbeispiele in größerer Auflösung zu sehen.

Messung der Ausgangs-Kennlinien mit Curve Tracer

Für Messungen der Ausgangskennlinien von 13 Stück RENS1374d wurden die Daten der Endröhre des TFK T650WL zugrunde gelegt. (T650WL ist schaltungsgleich zu Siemens 55WL und zu AEG "Super-Geador L")

Gemäß diesem Schaltbild-Ausschnitt ist die Anodenspannung 218V und die Schirmgitterspannung 148V. Mit diesen Werten wurden die Messungen mit dem Curve-Tracer CT71 durchgeführt. Die Schirmgitterspannung wird dabei einem Konstanter entnommen.

Messungen mit dem μ-Tracer

Der μ-Tracer ist als Bausatz erhältlich. Z.Z. gibt es das Modell "μ-Tracer 3+", das Spannungen bis 400 V zur Verfügung stellt.

Der μ-Tracer ist ein Meßgerät mit digitaler Steuerung. Für viele Röhren sind entsprechende "Modelle" vorhanden, so daß deren Kennlinien sofort gemessen und geschrieben werden können. Ein weiterer Vorteil gegenüber dem (analogen) Curve-Tracer besteht darin, daß als Meßwerte nur einzelne Stichproben genommen werden zwischen denen dann eine Kurve interpoliert wird. Die Stichproben sind dabei so kurz, daß die Röhre keinesfalls thermisch überlastet wird. Dadurch ist es möglich auch Meßwerte jenseits der "Verlust-Hyperbel" der Röhre erhalten zu können. 

Das ist die graphische Oberfläche des μ-Tracers, auf der sich alle Meßparameter konfigurieren lassen. Die gemessenen "Stichproben" sind durch kleine Kreise markiert. Gut zu sehen ist auch die "Verlust-Hyperbel", hier für die EL84 mit 12W.

Die Messungen mit einem μ-Tracer machte Henning Oelkers, wofür ich mich herzlich bedanken möchte.

Die getesteten RENS1374d

Die zu untersuchenden RENS1374d liegen hier in einer Schachtel.

Sie sind numeriert von der ältesten bis zur "neuesten" (NOS) RENS1374d.

Die Exemplare Nr.1 & Nr. 2 haben keine statische Schirmung des Röhrensystems. Die Exemplare Nr. 3 bis Nr. 6 haben das frühe "Käfig-Design" von TFK. Exemplar Nr. 8 ist von Valvo (L4150D) und Exemplar Nr. 10 ist von TeKaDe. Die Exemplare Nr. 11 bis Nr. 13 sind NOS.

Die Exemplare Nr. 11 & Nr. 13 hat Herr Eckhard Kull freundlicherweise zur Verfügung gestellt. Auch ihm gebührt dafür ein herzliches Dankeschön!

Einbezogen in die Messungen sind auch die beiden Exemplare Nr.3 & Nr.4, die im Betrieb Probleme bereiten. (Röhre Nr. 3 trägt eine Banderole aus den '60er Jahren, auf der sie als "unbrauchbar" charakterisiert wird!) Bei der Messung der Kennlinien gab es jedoch keine Schwierigkeiten. (Das zeigt, daß eine Kontrolle im Betrieb unerläßlich ist, um die Qualität einer "gut getesteten" Röhre beurteilen zu können.)

Gemessene Kennlinien

Es werden hier die Messungen mit dem Curve-Tracer und dem μ-Tracer für jede der 13 Röhren neben einander dargestellt. Damit ist auch ein Vergleich zwischen der "analogen" und der "digitalen" Messung möglich.

Maßstab für den (analogen) Curve-Tracer:
horizontal: 50V/cm; vertikal: 5mA/cm; Gitter: -2V pro Step, beginnend bei U_g = 0V bis U_g = - 24V (12 Stufen)

Der Maßstab für den μ-Tracer kann direkt den Meßkurven entnommen werden. Hier wurde für U_g2 = 250 V gewählt, entsprechend zu den Kennlinien in der Literatur (s. weiter unten). Der Maßstab ist so gewählt, daß er für alle gemessenen Röhren gleich bleiben kann. Auch das ist vorteilhaft genüber dem Curve-Tracer.

Bei den Kurven für den Anoden-Strom I_a sind die Meßwert durch (kleine) Kreise markiert. Bei den Kurven für den Schirmgitter-Strom I_g2 wurden (aus Gründen der Übersichtlichkeit) die Markierungen weggelassen. Es gehören jeweils die Kurven mit gleicher Farbe für I_a und I_g2 zusammen. Die gemessenen Kurven bestätigen, daß bei der RENS1374d der Schirmgitter-Strom (prozentual) ziemlich groß ist, viel größer, als das bei späteren Pentoden der Fall ist. (vergleiche Röhre Nr. 5 und Röhre Nr. 11)

Röhre Nr. 1 (bei Nr. 1 ist kein Code erkennbar)

 

Die älteste Röhre zeigt Unregelmäßigkeiten im Kennlinienfeld. (links) Ebenso stellt man entsprechende Unregelmäßigkeiten bei der Messung mit dem μ-Tracer fest. Allerdings liegen diese (fast ausschließlich) jenseits der Verlust-Hyperbel, so daß diese Röhre bei geringer Aussteuerung ggf. sogar noch funktionieren könnte!

Eine Überprüfung mit dem Teslator auf "schlechtes Vakuum" ergab keinerlei Leuchten.

Test mit RPG "Rundfunkmechanik" (entspricht W16): Nr. 1: 22 mA

Röhre  Nr. 2 (Code Nr. 2: "ei")

 

Test mit RPG "Rundfunkmechanik" (entspricht W16):  Nr. 2: 25 mA

Röhre Nr. 3  (kein Code bei Nr. 3)

   

Test mit RPG "Rundfunkmechanik" (entspricht W16): Nr. 3: 20 mA

Für die Röhre 3 gibt es zusätzlich eine Messung für kleinere Anodenspannungen, um beispielhaft den Anfangsbereich zu zeigen. (in dieser Darstellung ist für die Meßpunkte des Schirmgitter-Stomes "x" gewählt und die Kurven sind gestrichelt.)

Röhre Nr. 4 (Code Nr. 4: pn c; )

 

Test mit RPG "Rundfunkmechanik" (entspricht W16): Nr. 4: 21 mA

Im Unterschied zum "Wirkbetrieb" in einem Radio zeigen die Kennlinien Nr. 3 & Nr. 4 keinerlei Auffälligkeiten.

Röhre Nr. 5  (Code Nr. 5: pl c)

   

 

Test mit RPG "Rundfunkmechanik" (entspricht W16): Nr. 5: 17 mA

Als Beispiel für das Verhältnis von Schirmgitterstrom zu Anodenstrom für eine ältere RENS1374d (mit "Käfig"-Design) liest man aus dem μ-Tracer-Diagramm für 250V z.B. folgendes ab:

• schwarze Kurven: 22mA/66mA = 1/3; rote Kurven: 12mA/39mA = 0,3

Der Schirmgitterstrom ist somit ca. 30% des Anodenstroms beim älteren Design der RENS1374d.

Heiz-Strom (gemessen) I_h = 1,02 A
(Vergleich mit neuerem Design bei Nr.11.)

Röhre Nr. 6 (Code Nr. 6: hr)

 

Test mit RPG "Rundfunkmechanik" (entspricht W16):  Nr. 6: 23 mA

Röhre Nr. 7  (Code Nr. 7: zk l)

   

Test mit RPG "Rundfunkmechanik" (entspricht W16): Nr. 7: 21 mA

Röhre Nr. 8 (Code Nr. 8: NWZ) Valvo (L4150D)

 

Test mit RPG "Rundfunkmechanik" (entspricht W16): Nr. 8: 23 mA

Röhre Nr. 9  (Code Nr. 9: B.nk.00)

 

Test mit RPG "Rundfunkmechanik" (entspricht W16): Nr. 9 18 mA

Röhre Nr. 10 (Code Nr. 10: YG) TeKaDe

   

Test mit RPG "Rundfunkmechanik" (entspricht W16): Nr. 10: 24 mA

Röhre Nr. 11 (Code Nr. 11: B.vt.00) [NOS]

   

Test mit RPG "Rundfunkmechanik" (entspricht W16): Nr. 11: 23 mA

Verhältnis von Schirmgitter-Strom zu Anodenstrom für 250V

• schwarze Kurven: 15mA/90mA = 0,17; rote Kurven: 9mA/65mA = 0,14 

Das Verhältnis von Schirmgitterstrom zu Anodenstrom ist für das "neuere" Design somit nur noch ≈ 15% und damit etwa die Hälfte dessen, was beim "alten" Design der Fall war.

Rein optisch betrachtet kann man bei den Röhren das nicht erkennen, aber es sieht fast so aus, daß beim "neueren" Design der RENS1374d die Windungen des Gitter 2 nun "im Schatten" der Windungen des Steuergitters zu liegen kommen.

Heiz-Strom (gemessen) I_h = 1,03 A (praktisch kein Unterschied zu einer älteren RENS1374d)

Röhre Nr. Nr. 12 (Code Nr. 12: B.fx.00) [NOS]

 

Test mit RPG "Rundfunkmechanik" (entspricht W16): Nr. 12: 22 mA

Röhre Nr. 13 (Code B.vt.00) [NOS]

 

Test mit RPG "Rundfunkmechanik" (entspricht W16): Nr. 13: 23 mA

Außer bei der ältesten Röhre (Nr. 1) sind in den  Kennlinien-Feldern keine Unregelmäßigkeiten zu erkennen. 

Änderungen des Heizers und der Kathode

Auffallend war, daß die älteren RENS1374d (Nr. 1 bis Nr. 6) eine sehr viel längere Aufheiz-Zeit benötigten (bis sie volle Emission zeigten) als die "neueren" (Nr. 7 bis Nr. 13). Das könnte ein Hinweis darauf sein, daß die Konstruktion der Heizer im Laufe der Zeit verändert wurde. Das Bild stammt aus dem "Ratheiser", 4.A.

Die älteren RENS1374d (Nr. 1 bis Nr. 6) haben eine "Haarnadel-Kathode", während die "neuern" RENS1374d (Nr. 7 bis Nr. 13) eine "Bi"-Kathode haben, die schneller ihre Emissions-Temperatur erreicht. ("Bi" ist auf der RENS1374d - im Unterschied zur REN904 - nicht gekennzeichnet.) Wie der Vergleich der gemessenen Heiz-Ströme der Röhre 5 und der Röhre 11 zeigt, gibt es diesbezüglich keinen Unterschied zwischen "altem" und "neuem" Design der RENS1374d.

Das Kennlinenfeld von TFK

Das Kennlinienfeld stammt aus einem Datenblatt, das einer RENS1374 beigegeben war. Identische Kurven findet man aber auch in "Ratheiser: Rundfunk-Röhren, 3.A., 1938 und 4.A., 1940, Union Deutsche Verlagsgesellschaft Berlin, jeweils auf S. 238, Bilder 482 (& 483)".

In dieses Datenblatt ist (in magenta) die (sonst übliche) Arbeitsgerade für den in den Datenblättern propagierten Arbeitspunkt (250V / 24mA) eingetragen.

• Aus den Schnittpunkten mit den Achsen liest man ab: R_a = 480V / 48mA = 10 kΩ.

10 kΩ steht aber eindeutig im Widerspruch zu dem empfohlenen Ausgangswiderstand von 16 kΩ!

Messungen des Arbeitswiderstandes bei Geräten mit RENS1374d Endröhre

Zur Abklärung des von den Radiofirmen angesetzten Arbeitswiderstandes werden an Geräten mit originaler Beschaltung von Endstufen mit der RENS1374d Impedanz-Messungen durchgeführt.

• Siemens 37WLK
• Siemens 47WL
• Siemens 36aWLK
• Mende 210W
• LORENZ Heilsberg KW
• Aga Baltic AH230 (mit E453 6Pin ; die E453 entspricht der RENS1374d)

Die Impedanzen wurden (betragsmäßig) gemessen bei 600 Hz, 800 Hz & 1 kHz. Vom Sinus-Generator aus erfolgt dabei die Einspeisung über einen einstellbaren Vorwiderstand auf den Ausgangsübertrager (bei abgeschaltetem Gerät, d.h. ohne magnetische Erregung des Lautsprechers). Es werden mit einem Zweistrahl-Oszilloskop a) die Generator-Spannung und b) die Spannung am Ausgangsübertrager (hinter dem Vorwiderstand) gemessen.

Die Empfindlichkeiten des Oszilloskops sind dabei auf 2V/cm (für die Generatorspannung) und auf 1V/cm (für die Spannung am Ausgangsübertrager eingestellt.

Man muß nun nur noch den Vorwiderstand so einstellen, daß beide Kurven auf dem Oszilloskop gleiche Amplitude haben. Anschließend mißt man mit dem Ohmmeter den aktuellen Wert des Vorwiderstandes. Aufgrund der Anordnung ist dieser gleich der Impedanz des Ausgangsübertragers, belastet durch den Lautsprecher. (Das Oszilloskop zeigt eine leichte Phasenverschiebung der Kurven, die sich jedoch für das Meßergebnis praktisch nicht auswirkt.)

Verblüffend an dieser Meßreihe ist, daß sich anscheinend keine Firma an den propagierten Abschlußwiderstand von 16 kΩ gehalten hat.

Mende hat sich aber anscheinend an die oben genannte "Daumenregel" für den Außenwiderstand gehalten:

R_a = 480V / 48mA = 10 kΩ

Die 3 Siemens Geräte aus 1932 haben alle den gleichen (kleinen) Ausgangstrafo (primär R_Cu = 2,61 kΩ) und auch den gleichen Lautsprecher. In so fern ist nicht verwunderlich, daß die Meßergebnisse praktisch gleich sind. (Das gilt auch für die jeweiligen "Parallel-Typen" von TFK und AEG.)

Zur Festlegung des Außenwiderstandes bei Pentoden

Der günstigste Außenwiderstand bei Pentoden wird i.a. so festgelegt, daß die Verzerrungen des Ausgangssignals minimiert werden. Ratheiser zeigt diesen Sachverhalt (Bild 99, S.55 & Bild 101 S.56).

 

Typisch für Pentoden ist, daß der Klirrfaktor k₂ (als Funktion der Größe des Außenwiderstandes R_a)  ein deutliches Minimum aufweist, während der Klirrfaktor k₃ kontinuierlich ansteigt, Bild 101. Der Grund für das Minimum für k₂ besteht darin, daß die Ausgangs-Kennlinien der Pentode an beiden Enden der Arbeitsgeraden keine gleichen Abstände mehr haben. Der günstigste Außenwiderstand R_{a_opt} ist derjenige, bei dem der Gesamt-Klirrfaktor minimal wird. (7kΩ für RES964, AL1, AL4, EL11) Man kommt also an beiden Enden der Arbeitgeraden (ungefähr) gleich weit in die Bereiche der ungleichen Abstände der Kennlinien.

Das Klirren-Minimum ist aber auch von der Aussteuerung der Endpentode abhängig, weil eben die I_a = I_a(U_g1) Kurven im Ausgangs-Kennlinienfeld keine gleichmäßigen Abstände von einander haben. Wird die End-Pentode (bei gegebenem Arbeitspunkt) weniger weit ausgesteuert (also kleinere Sprechleistung), reduzieren sich so die nichtlinearen Verzerrungen und gleichzeitig verschiebt sich der Wert für den optimalen Außenwiderstand zu höheren Werten, Bild 99 (rechts).

Bestimmung der Sprechleistung aus dem Kennlinienfeld

Ratheiser (Bild 97, S. 54) zeigt eine graphische Methode zur Bestimmung der Sprechleistung einer Pentode (AL4 bzw. EL11) aus dem Kennlinienfeld. Hierzu ist der Arbeitspunkt und die Arbeitsgerade (entsprechend zum Außenwiderstand) in das Kennlinienfeld einzutragen.

Die erzielbare Sprechleistung ist gemäß dieser Darstellung etwas geringer, als es der Fläche des blau-rosa markierten Dreiecks entspricht, wie aus dem Vergleich mit der Figur in der oberen Hälfte hervor geht.

Theoretische Ausgangsleistung der untersuchten Empfänger

Aus den Schaltbildern der Geräte werden die jeweilgen Arbeitspunkte für die RENS1374d entnommen.

• Siemens 37WLK, 47WL, 36aWLK: 220V / 20 mA  (magenta)
• Lorenz Heilsberg: 250V / 20 mA  (grün)
• Mende 210WL: 290V / 20 mA  (cyan)

Für den Aga Baltic AH230 liegen keine entsprechenden Daten vor.

Im Kennlinienfeld sind die Arbeitswiderstände für 800Hz eingetragen.

• Siemens 37WLK, 47WL, 36aWLK:  21 kΩ (magenta)
• Lorenz Heilsberg:  14 kΩ (grün)
• Mende 210WL: 11 kΩ (cyan)

Die "volle" Aussteuerung der RENS1374d ist gemäß Datenblatt  9,5V_eff, während sie für 50mW Sprechleistung (Zimmer-Lautstärke!) ≈ 1,3V_eff beträgt.
"Volle" Aussteuerung soll bei 10% Klirrfaktor eine Sprechleistung von ≈ 2,9W ergeben.

Bei den Siemens-Geräten wurde der Arbeitspunkt mit 220V / 20 mA offensichtlich bewußt "niedriger" gewählt, was dann auch zu einer geringeren Sprechleistung als 2,9W führt.

Entsprechend zu der graphischen Methode bei Ratheiser kann man nun die ungefähre Sprechleistung für die Siemens-Geräte aus der Dreiecksfläche ab dem Arbeitspunkt bis zur rechten Spitze bestimmen. Hierbei ist angenommen, daß die Aussteuerung der RENS1374d nicht allzu sehr bis in die gekrümmten Teile des Kennlinienfeldes erfolgt, was die nichtlinearen Verzerrungen reduziert. Damit folgt für die ungefähre Sprechleistung:

P = ½(380V - 220V)•10mA = 800 mW

Das ist zwar wesentlich weniger als die maximale Sprechleistung von 2,9W, aber in der Praxis aufgrund des guten Wirkungsgrades der Lautsprecher trotzdem sehr laut - und entsprechend klirrarm.
[In den '50er Jahren ist es mit einem Telefunken Meistersuper (Parallelgerät zum Siemens 37WLK) problemlos gelungen, die ganze Nachbarschaft mit Radiomusik zu versorgen.]

Anmerkung:
Die frühen Radios hatten keine Gegenkopplung im NF-Teil, mit der die Verzerrungen hätten reduziert werden können. Somit blieb nur übrig, die Endröhre nicht "voll" auszusteuern, um die Verzerrungen gering zu halten.

Vergleich des Anfangs der Kennlinienfelder

Da der Schirmgitter-Strom der "neueren" RENS1374d (das sind die mit dem innen geschwärzten Kolben) deutlich geringer ist als bei den "älteren" RENS1374d, ist zu erwarten, daß sich das auch im Ausgangs-Kennlinien-Feld für kleine Anodenspannungen bemerkbar macht. Hier sind dann die Übernahme-Verzerrungen durch den Schirmgitter-Strom geringer.

Die für Röhre 5 (links) und Röhre 11 (rechts) vergleichsweise gemesenen Kurven haben die Maßstäbe:
horizontal: 10V/cm; vertikal: 2mA/cm; Gitter: -2V pro Step, beginnend bei U_g = 0V bis U_g = - 24V (12 Stufen)

 

Die Kennlinien verlaufen für die "neuere" RENS1374d "steiler". Man sieht dies z.B. indem man die ersten 3 Kennlinien vergleicht. Da also die "Übernahme-Verzerrungen" durch den Schirmgitter-Strom bei den "neueren" geringer ist, kann das Kennlinien-Feld "weiter ausgefahren" werden, ohne einen zu großen Anstieg der Verzerrungen befürchten zu müssen. In der Konsequenz bedeutet dies, daß für die "neueren" RENS1374d ein kleinerer Ausgangs-Widerstand als die im Datenblatt angegebenen 16kΩ gewählt werden kann. Damit kann für die "neueren" RENS1374d die Daumenformel R_a = 480V / 48mA = 10 kΩ angewendet werden.
(Dies ist von Interesse, wenn ein Radio mit RENS1374d restauriert werden soll, das keinen Ausgangs-Übertrager - und meist dann auch keinen Lautsprecher mehr hat, und deswegen "Ersatz" erforderlich wird.)

Den Kollegen Hans Knoll und Harald Giese danke ich für hilfreiche Diskussionen zum Thema.

MfG DR

Für diesen Post bedanken, weil hilfreich und/oder fachlich fundiert.