Netzversorgung von Röhren-Radios
Netzversorgung von Röhren-Radios
Die meisten Röhrenradios haben ein Netzteil zu ihrer Versorgung mit elektrischer Energie. Das ist eigentlich eine triviale Aussage und entsprechend stiefmütterlich werden Netzteile von Radios in der Literatur behandelt. Dieser Artikel versucht, die verstreuten Informationen zusammen zu fassen.
Vorgestellt werden Schaltbilder der Netzteile. Informationen z.B. zum Wickeln von Netztrafos werden ausgespart.
Vorab einen Warnhinweis für Bastler:
- Spannungen größer 36V können bereits lebensgefährlich sein, wenn spannungsführende Teile berührt werden. Insbesondere dann, wenn die Haut feucht ist.
- Für Basteleien bzw. Messungen an Netzteilen daher immer einen Trenntrafo vorschalten.
- "Eine Hand in die Hosentasche stecken", damit nie versehentlich ein Stromfluß quer durch den Körper erfolgt.
Netzteile mit Netz-Trennung
Solche Netzteile haben Transformatoren, die diese Trennung realisieren. Diese Trafos haben eine primäre Wicklung, die mit dem Netz verbunden ist und (mindestens) eine sekundäre Wicklung, die ausreichend gut von der primären Wicklung isoliert ist und aus dieser dann das Radio bzw. elektronische Gerät versorgt wird.
- Vorsicht: Besonders ältere Radios haben "Lichtnetz-Antennen". Diese bestehen aus einem Kondensator, der mit einem Ende an der Netz-Zuleitung angeschlossen ist und dessen anderes Ende am Antennen-Eingang des Radios liegt.
Wenn ein derartiger Kondensator seinen Isolationswiderstand (im Laufe der Jahre) verliert, besteht auch bei einem perfekten Netztrafo keine Netztrennung des Radios mehr!
Gegentakt-Vollweg-Gleichrichtung
Als Prototyp ein Schaltbild, wie es typisch für USA war [1]. Der Trafo "T" hat 3 sekundäre Wicklungen S1, S2 & S3.
In USA werden üblicherweise die Anodenspannung mit "B" (B+, B-) und die Heizspannungen mit "A" bezeichnet. Die Gleichrichter-Röhren haben i.a. 5V Heizspannung. Die Glättung der Anodenspannung erfolgt durch das "π" Glied C1, L, C2.
Im nächsten Schaltbild [2] ist außer dem Netzteil auch noch die übrige Schaltung angedeutet - mit Schwerpunkt auf der NF-Vorstufe und der Endstufe.
Die Primärseite des Netz-Trafos ist auf verschiedene Spannungen einstellbar, da es in Europa früher unterschiedliche Netze gab. (Heute sind 230V üblich.) Auch ist die Primärseite durch eine Sicherung geschützt.
Auch dieser Trafo hat 3 sekundäre Wicklungen. Bei direkt geheizten Gleichrichter-Röhren war 4V Heizspannung Standard.
Zu beachten sind die beiden Kondensatoren C1 & C2 an der Hochspannungswicklung der Sekundärseite. Diese dienten dazu, über das Lichtnetz eindringende HF-Spannungen kurz zu schließen.
(War früher für LW & MW erforderlich, als das Netz über Freileitungen über die Dächer der Häuser geführt wurde. Dringt das Empfangssignal über die Gleichrichter-Röhre in den Empfänger ein, erfolgt dadurch eine "Brumm-Modulation".)
- Wenn einer dieser Kondensatoren Kurzschluß macht, besteht die Gefahr, daß er sich als "Trafo-Killer" erweist. Falls in einem solchen Fall die primäre Netz-Sicherung nicht auslöst, kann sich die kurz geschlosssene Sekundär-Wicklung so stark erhitzen, daß der Lack des Drahtes schmilzt und dadurch ein dauerhafter Kurzschluß innerhalb der Wicklung entsteht.
Einschub:
Der häufigste Fehler: Der Koppelkondensator zum Gitter der Lautsprecher-Röhre ist leck geworden.
Das Bild 1.5-1 zeigt den häufigsten und wichtigsten Fehler, der bei einen Röhren-Radio auftreten kann, nämlich, daß der Koppel-Kondensator C8 zwischen der Anode der NF-Vor-Röhre und dem Steuergitter der End-Röhre (Lautsprecher-Röhre) leck wird (R < 100 MΩ!). In diesem Fall verschiebt sich die Gitterspannung der End-Röhre, so daß ein unzulässig hoher Anodenstrom fließt, was zu einer Überlastung der End-Röhre führt.
Zur Überprüfung des Kondensators C8 wird entweder die Spannung (III) an der Primärseite des NF-Ausgangstrafos gemessen oder die Spannung (IV) zwischen Kathode und Masse (Chassis). Wenn nun das Steuergitter gegen Masse kurz geschlossen wird (I), darf sich die Anzeige der Voltmeter nicht ändern, wenn C8 (noch) i.O. ist. Ansonsten gehen die Ausschläge der Meßgeräte zurück.
Nun könnte aber bereits die End-Röhre defekt sein und Gitterstrom ziehen infolge schlechten Vakuums. Um diesen Effekt als Ursache auszuschließen, wird (I) geöffnet und (II) kurz geschlossen. Gehen die Ausschläge auch hierdurch zurück, ist C8 eindeutig als defekt identifiziert.
(Kurzschluß (II) nur kurzzeitig anlegen, damit R4 & R6 nicht überlastet werden.)
Die Gewinnung der Vorspannung für die Gitter der Röhren jeweils über einen Kathodenwiderstand, wie in Bild 1.5-1, wird mit "automatischer" Gittervorspannung bezeichnet.
Das Bild 1.5-2 [2] zeigt ein Beispiel für eine "halb-automatische" Erzeugung der Gittervorspannung, die i.d.R. bei Verbundröhren (z.B. ECL...) angewendet wird.
Da die Widerstände R7 (30Ω) und R8 (70Ω) vom gesamten Anodenstrom durchflossen werden, geht bei halb-automatischer Gittervorspannung der NF-Röhren auch der Anodenstrom der übrigen Röhren in die Größe der Gittervorspannungen ein.
Vollweg-Gleichrichtung mit Graetz-Brücken-Gleichrichter
Graetz beschreibt die von ihm erfundene Vollweg-Gleichrichtung mit dem Schaltbild Fig.437 [3]:
Die "Gleichrichter-Zellen" A1 bis F2 bestanden um 1910 aus Glasgefäßen, Fig.138, gefüllt mit "doppelt kohlensaurem Natron", bei denen eine Elektrode aus Aluminium (A) (positive Elektrode) und die andere (wahlweise) aus Blei, Eisen (E) oder Kohle bestand (negative Elektrode).
Beim Stromdurchgang (Gleichstrom; zur Formierung) scheidet sich an der Al Elektrode Sauerstoff ab, wodurch sich Aluminium-Oxyd bildet. Dadurch ergibt sich für diese Stromrichtung ein stark reduzierter Stromdurchgang bis ca. 100V angelegter Spannung.
In der Radio-Technik wurden die Graetz-Brückengleichrichter als Selen-"Trocken"-Gleichrichter realisiert, Bilder 803b - d.[4]
Im Unterschied zur Gegentakt-Gleichrichtung benötigt eine Gleichrichtung mit einer Brücke nur einen Netztrafo mit einer Sekundärwicklung zur Gewinnung der Anodenspannung.
Hat die Sekundärwicklung allerdings eine Mittel-Anzapfung, wie in Abb. 803b, läßt sich mit einer Brücke sowohl eine positive, als auch eine negative Gleichspannung erzeugen, wenn die Mittelanzapfung auf Masse geschaltet wird. (In Abb.803b fehlt rechts unten ein "-")
Die beiden nächsten Bilder 5,20 - 5,23 zeigen noch einmal den Übergang von der Gegentakt- zur Brückenschaltung.[5]
Der Stromdurchgang durch die Gleichrichter (Röhre, Trockengleichrichter) ist durch Pfeile für die einzelnen Halbwellen der Wechselspannung gekennzeichnet, was der Erleichterung des Verständnises der Funktionsweise dient. Durch den "Lade-Kondensator" C entsteht am Verbraucher-Widerstand R eine Gleichspannung, die von einer "Brumm-Spannung" überlagert wird. Bei Vollweg- bzw. Brücken-Gleichrichtung ist die Brummspannung geringer, Bild 5,23, als bei Einweg- oder "Halbweg"-Gleichrichtung, Bild 5,20 (R & C in beiden Fällen gleich). Bei der Brücken-Gleichrichtung ist die (Grund-) Frequenz der überlagerten Brummspannung zusätzlich doppelt so hoch wie bei der Einweg-Gleichrichtung. Aufgrund dieser beiden Tatsachen ist der Aufwand für die "Siebung" (Unterdrückung) der Brummspannung bei Vollweg-Gleichrichtung mit geringerem Aufwand verbunden als bei Halbweg-Gleichrichtung.
Vergleich Zweiweg - Brücke
Funktionsmäßig, bezogen z.B. auf die Brummspannung, sind beide Varianten gleichwertig, die in den Bildern 5.2/6 & 5.2/7 dargestellt sind.[6]
Abb.18.6 entspricht Bild 5.2/6.
Abb.18.7 [7] zeigt noch einmal die Gewinnung von erdsymmetrischen Ausgangsspannungen entsprechend zu Abb 803b. (In späteren mit Halbleitern bestückten Radios findet sich diese Anordnung oft in den Netzteilen.)
Die Ströme bei Vollweg-Gleichrichtung
Dadurch, daß am Lade-Kondensator CL eine (mittlere) Gleichspannung Ua entsteht, sperren die Dioden, sobald die Wechselspannung UL kleiner als Ua wird. Folglich kann der (Lade-) Strom nur in einer ganz kurzen Zeit fließen. Fig. 14. zeigt diese Stromimpulse i1 & i2.[8] Die "überlagerte Wechselspannung" (Netzbrumm) hat die doppelte (Grund-)Frequenz wie die Netzspannung.
Wird (bei konstanter Netzfrequenz f=ω/2π und konstantem Laststrom bzw. Lastwiderstand RL) der Lade-Kondensator C=CL vergrößert, werden die Stromimpulse i immer kürzer. Da nun aber in einer kürzeren Zeit die (gleiche) Ladungsmenge Q in den Lade-Kondensator hineinfließen muß, wie während der Sperrzeit der Dioden über den Lastwiderstand als Laststrom Ia abfließt, werden die Spitzen-Ströme Î durch den Gleichrichter entsprechend ansteigen, Bild 5.2/10.[6] Dabei spielt der (gesamte) Innen-Widerstand RS der Gleichrichterschaltung (im Verhältnis zum Lastwiderstand RL) eine wichtige Rolle. Die gezeigten Kurvenscharen können zur Dimensionierung des Netzteils verwendet werden.
Der "Glättungs-Faktor ωCRL" in den Bildern 5.2/9 & 5.2/10 ist so zu interpretieren:
- Je höher die Netzfrequenz f=ω/2π ist, je größer das Lade-C CL gewählt wird und je größer der Wert des Lastwiderstandes RL ist, um so größer wird dieser Glättungsfaktor.
- Für unterschiedliche Verhältnisse von Innen-Widerstand RS zu Lastwiderstand RL ergeben sich Kurven-Veräufe entsprechend der dargestellten Prozentzahlen.
- Je größer der Wert des Lastwiderstandes RL im Verhältnis zum Innenwiderstand RS wird, um so größer wird (bei genügend großem Ladekondensator C) die Spannung am Ladekondensator.
Für die effektive Welligkeit der Brummspannung gelten die Kurven Bild 5.2/11.[6]
Aus den in Bild 5.2/11 gezeigten Kurven geht die Namensgebung für den "Glättungsfaktor" unmittelbar hervor.
Einweg-Gleichrichtung
Die Einweg-Gleichrichtung ist meist bei "Klein-Radios" zu finden, also bei solchen, die eine schwache Lautsprecher-Röhre haben und folglich nur einen geringen Anodenstrom benötigen. Klassisches Beispiel hierzu ist der Volksempfänger VE301W, der ein Netzteil hat, ähnlich wie in es in Abb.777 dargestellt ist.[4]
Den "Luxus" einer Drossel Dr hat der VE301W allerdings nicht und der Ladekondensator C ,sowie der Siebkondensator C1 haben beim VE301W kleinere Werte.
Die Heizwicklung H2 für die Gleichrichterröhre ist (zwar mit dickerem Draht gewickelt, aber im Prinzip) ein Teil der sekundären Hochspannungswicklung A.
Einweggleichrichtung beschränkte sich in einzelnen Fällen nicht nur auf kleine Radios, sondern auch "große" Radios wie z.B. der AEG 60WU hatten Einweggleichrichtung, wie der folgende Ausschnitt aus seinem Schaltbild zeigt. Bei diesem Gerät wird sogar auf die Glättungs-Drossel verzichtet. Dafür sind große Kapazitätswerte für Lade-C und Sieb-C erforderlich. (Beachte: UY11 trotz E..11er Röhren im Empfangsteil.)
Bei Einweggleichrichtung fließt - im Unterschied zur Vollweggleichrichtung - nur je einmal pro Periode der Netzspannung ein Strom, wie Fig. 9 zeigt.[8]
Wenn einem solchen Einweg-Netzteil ein gleich großer Strom wie einem Vollweg-Netzteil entnommen werden soll, müssen die Stromimpulse i entsprechend größer ausfallen. Auch hat die Frequenz der Brummspannung nur den Wert der Netzfrequenz.
Für die vom Glättungsfaktor abhängigen Kurven ergeben sich prinzipiell ähnliche Verläufe wie bei Vollweg-Gleichrichtung.[6]
Netzteile ohne Netztrennung
Netzteile ohne Netztrennung verwenden (für Radios) stets nur die Einweggleichrichtung. (Bei Fernsehern gab es auch Netzteile mit Brückengleichrichtern - ohne Netztrennung.)
Keine Netztrennung bedeutet, daß eine galvanische Verbindung zum Netz besteht.
- Je nachdem wie herum der Netzstecker in der Steckdose steckt, führt das Chassis ggf. volle Netzspannung! Daher nie ohne Trenntrafo an solchen Geräten arbeiten. Siehe auch den Warnhinweis am Beginn des Posts!
Netzteile mit Trafo (für Wechselspannung)
Ja, es gibt sie die Radios mit Netztrafo - und trotzdem ohne Netztrennung! Man kann sich also nicht darauf verlassen, daß jedes Radio mit z.B. E-Röhren eine Netztrennung hat. Das betrifft insbesondere Geräte, die in den frühen '50er Jahren auf den Markt kamen.
Als Beispiel das Netzteil eines Radios mit "gemischter" Schaltung, Bild 1.7-1[2]
Wie man sofort erkennt, wird die Anodenspannung aus der Primärwicklung des Netztrafos gewonnen.
Dieser Trafo hat eine Primärwicklung, die als oberstes Ende z.B. für 260V~ ausgelegt ist. Dadurch wird die "normale" Netzspannung von 220V herauf transformiert. (Spartrafo) Das ergibt dann eine höhere Anodenspannung, die über eine Einweg-Gleichrichtung gewonnen wird, hier mit Hilfe einer Diode (oder Selen-Gleichrichter).
Die Schaltung ist für "halbautomatische" Gewinnung der Gittervorspannung der Endröhre ausgelegt. Die Höhe der Gittervorspannung ergibt sich aus dem Widerstandswert von R2 und dem gesamten ihn durchfließenden Anodenstrom.
Der Kondensator C1 dient der Unterdrückung von Spannungs-Spitzen, die bei Si-Dioden auftreten können und zu Brummstörungen führen.
Die Heizwicklung für 6,3V ist einseitg auf Chassis gelegt, womit vermieden wird, daß sich zwischen den Heizfäden der Röhren und deren Kathoden eine undefiniert hohe Spannung bilden kann.
Zwischen Chassis und Masse (z.B. Erdbuchse) liegt der Kondensator C4, der nach heutiger Norm als nur noch als "Y" Kondensator ausgeführt sein muß. Diese Forderung besteht wegen des Berührschutzes für Personen.
Allstrom-Netzteile
Allstrom-Netzteile sind sowohl für Wechelstrom als auch für Gleichstrom zu verwenden. Sie sind grundsätzlich ohne Netztrennung realisiert.
Bei den Schaltungen für Allstrom-Netzteile gibt es eine "bunte Palette" von Lösungen. Hier können nur einzelne Beispiele vorgestellt werden.
Allstrom-Netzteile mit Trafo für Wechselstrom
Es gibt Beispiele für Netzteile, die zwischen Wechselstrom und Gleichstrom umgeschaltet werden müssen und andere, die nicht umgeschaltet werden müssen.
Umzuschaltende Netzteile enthalten wieder einen Netztrafo, Abb. 792 [4]
Bei Betrieb mit Wechelstrom hat das Netzteil Abb. 792 große Ähnlichkeit mit Bild 1.7-1.
Gezeichnet ist die Schalterstellung für Wechselspannung.
Eine Heizwicklung für die Empfänger-Röhren ist nicht vorhanden, weil diese dann in Serienheizung direkt aus der Netzspannung versorgt werden.
Allstrom-Netzteile ohne Trafo
Das Bild 1.6-1 [2] zeigt wesentliche Teile und die Stromkreise eines (typischen) Allstrom-Empfängers.
Die Heizfäden sämtlicher Röhren liegen in Serie. Der Heizfaden der NF Vorröhre ist dabei einseitig (möglichst dicht) mit dem Chassis verbunden, um Brummeinstreuungen zu minimieren. Die Skalenbeleuchtung S liegt ebenfalls in Serie mit den Heizfäden der Röhren. I.a. sind die Skalenlampen mit einem parallelen Heißleiter überbrückt, damit bei Ausfall eines Birnchens das Radio trotzdem noch spielt.
R2 ist ein Heißleiter, der dafür sorgt, daß beim Einschalten des Radios, wenn der Kaltwiderstand der Heizfäden nur ca. 1/10 des Warmwiderstandes beträgt, der Strom durch die Heizfäden begrenzt wird.
(Im Unterschied dazu haben Geräte mit Netztrafo parallel geschaltete Heizfäden der Röhren. Dies ist ohne Überlastung der Heizfäden beim Einschalten deshalb möglich, weil ein Netztrafo einen (endlichen) Innenwiderstand RS hat, der den Einschaltstrom begrenzt. Dagegen ist der Innenwiderstand des Strom-Netzes praktisch als RS => 0 anzusetzen, weshalb hier nun ein Heißleiter zur Strombegrenzung erforderlich ist.)
Eine Umschaltung eines Allstrom-Gerätes auf eine andere Netzspannung erfordert eine Änderung des Vorwiderstandes R1 im Heizkreis. Je nach Anzahl der Röhren des Empfängers kann die Umschaltung auch eine Unterteilung des Heizkreises erforderlich machen, Abb. 788, 798.[4]
Die Heißleiter in Radios ab den frühen '30er Jahren (U35/05 bzw. U24/10P) sind meist als "Urdox" oder "Eisen-Urdox" realisiert und in Glaszylindern mit Röhren-Sockeln untergebracht.
Noch unübersichtlicher sind Schaltungen des Heizkreises von Allstrom-Batterie-Empfängern, Abb. 796. [4]
In solchen Geräten ist die "Heiz-Batterie" als Akkumulator realisiert. Der Akku schützt die (empfindlichen) Heizfäden der Batterie-Röhren vor Überspannungen. Bei Netz-Betrieb erfolgt die Heizung der Röhren wie in Abb. 796 gezeigt. Gleichzeitig wird auch der Heiz-Akku gepuffert. (Zum Laden des Heiz-Akkus bei ausgeschaltetem Gerät gibt es i.a. eine extra Taste.)
Allstrom-Netzteile für 115V
In Ländern mit 115V Netzspannung, wie z.B in USA, hat sich die "Allstrom-Technik" für Röhren-Radios weitestgehend durchgesetzt, obwohl das Netz in USA als Wechselstrom-Netz mit 60Hz realisiert ist. (Frühe Geräte in USA hatten i.a. Netztrennung und Netztrafos.) Der Grund dafür ist darin zu suchen, daß ein Heizkreis mit 115V mit 5 dafür entwickelten Röhren recht einfach zu realisieren ist und ein Netztrafo dann entfallen kann. Diese Radios werden "All American Five" oder "AA5" genannt und konnten preiswert angeboten werden.
Das dafür typische Netzteil zeigt Fig. 10-8.[1] Wie bereits oben erwähnt (Bild 1.6/1), ist auch hier im Interesse niedriger Brummeinstreuungen der Heizfaden der NF Vorröhre 12SQ7 einseitig mit dem Chassis verbunden.
Die Schaltung Fig. 10-8 zeigt ein interessantes Detail in Bezug auf die Skalenbeleuchtung (Pilot Light).
- Beim Einschalten des Gerätes hat der Heizfaden der Gleichrichter-Röhre 35Z5 einen sehr geringen Kaltwiderstand. Dadurch ist die Skalenlampe vor Überlastung (ggf. Durchbrennen) geschützt.
- Emittiert die Gleichrichter-Röhre dann voll, fließt Anodenstrom. Der Strom, den die Skalenlampe dann aufnimmt ist so gewählt, daß er genau dem Anodenstrom entspricht. Daurch hat die linke Hälfte des Heizfadens der Gleichrichter-Röhre nun ebenfalls "nur" noch ihren Nenn-Strom (300 mA). Und der Anodenstrom fließt quasi "de facto" durch die Skalenlampe.
Sonderformen
Bei frühen Geräten wurden durchaus auch Netztrafos verwendet, wenn auch nur für die Gewinnung eine höheren Anodenspannung, Fig. 10-3.[1] (Nur für 115V Wechselspannung!)
Literatur
[1] Ghirardi, A.A.: Receiver Circuitry and Operation, 4th printing, Rinehart, 1955
[2] Renardy, A.: Radio-Service Handbuch, 4.A., Franzis, 1967
[3] Graetz, L.: Die Elektrizität und ihre Anwendungen, 17.A., Engelhorn, 1914
[4] Pitsch, H.: Lehrbuch der Funkempfangstechnik, (mehrere Auflagen), VAG, 1948 - 1963
[5] Limann, O.: Funktechnik ohne Ballast, 7.A. Franzis, 1963
[6] Wagner, S.W.: Stromversorgung elektronischer Schaltungen und Geräte, Decker, 1964
[7] Tietze, U.; Schenk,Ch.: Halbleiter-Schaltungstechnik, (mehrere Auflagen), Springer, 1963 - 2002
[8] Arguimbau, L.B.: Vacuum-Tube Circuits, Wiley, 1948
In bewährter Weise haben die Kollegen Hans Knoll und Harald Giese Korrektur gelesen wofür beiden mein herzlicher Dank gilt.
MfG DR
Für diesen Post bedanken, weil hilfreich und/oder fachlich fundiert.