Stromquellen und -Senken mit Röhren (unendl. Innenwiderstand

Liebe Mitglieder und Besucher des RM,

zu Beginn meines Beitrags möchte ich auf eine etwas unglückliche, weil missverständliche, aber trotzdem weit verbreitete Begriffsverwendung des Ausdrucks "Stromquelle" hinweisen:
Der Ausdruck "Stromquelle" wird sehr häufig für Stromversorgungen verwendet, die aber meist ihrem Aufbau entsprechend eine Spannungsquelle darstellen.
Zwar fliesst in den Stromversorgungen auch Strom, jedoch ergibt das zusammen mit der Spannung eine Leistung, daher würde ich dafür plädieren, wie auch im Englischen, den Begriff "Power Supply" beziehungsweise dessen deutsche Übersetzung "Energieversorgung" oder eben auch "Stromversorgung" zu verwenden.
Das macht es einfacher, in der Schaltungstechnik zwischen Stromquellen (Quelle und Senke), Spannungsquellen und anderen Schaltungen zu unterscheiden.

Nun zum Beitrag.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten, Stromquellen mit Röhren zu implementieren: durch negatives Feedback oder durch positives Feedback.
Dabei ist an einer Stromsenke der Verbraucher anodenseitig (Anschluss: pos) angeschlossen, der andere Anschluss (neg) mit Minus verbunden. Stattdessen ist bei einer Stromquelle der Verbraucher mit der Gitterseite des stromfühlenden Widerstands (Rk) verbunden (neg), während die Anode (pos) mit Plus verbunden wird.

Erstere Version ist weithin bekannt:
Ein Kathodenfolger (in unserem Fall eine Triode oder Pentode) wird durch Hinzufügen von negativem Feedback (Stromgegenkopplung) zu einer Stromquelle bzw. -senke.
Die einfachste Form einer solchen Stromquelle ist die Triode, deren Kathode mit der einen Seite des stromfühlenden Widerstands verbunden ist, während das Gitter mit dem der Last zugewandten Ende verbunden wird. Der Innenwiderstand einer solchen Stromquelle ist jedoch endlich, weil auch die Steilheit (Verstärkung) des Spannungsfolgers endlich ist.

Die rechts im Bild gezeigte Schaltung lässt bei einer Triode ECC83 und
Rk = 5kOhm während einer Spannungsänderung an der Anode von 30V bis hin zu 300V den Strom lediglich von 160uA bis auf 610 uA ansteigen.
Der Innenwiderstand oder auch differentielle Widerstand berechnet sich dabei zu:
ΔUa/Δia= 270V/450uA = 600kOhm, das entspricht einem realen Widerstand von 600kOhm an einer Betriebsspannung von 60Volt über der normalen Anodenspannung. Man kann also durch Einsatz einer Stromquelle/-Senke den Versorgungsspannungsbedarf verringern, bei gleichzeitiger Erhöhung des resultierenden (Wechselspannungs-) Widerstandswertes.

Zwei bekannte Beispiele für solche Stromquellen/-senken innerhalb von Verstärkerstufen sind nachfolgend abgebildet:

Bild: links anodenseitige Last (Stromsenke), rechts kathodenseitige Last (Stromquelle)
 

1. Stromsenke (Anodenseitige Last)
Verwendungszwecke:
a) Für die Erzielung grösserer Linearität bei einem einfachen Kathodenfolger kann als Kathodenwiderstand eine Stromsenke eingesetzt werden.
Der Vorteil dadurch ist eine geringere Abhängigkeit der Ausgangsspannung von der Röhrensteilheit und damit ergibt sich ein kleinerer Klirrfaktor.

b) eine Stromsenke findet z.B. als sehr hochohmiger Kathodenwiderstand in einer Differenzverstärkerstufe Verwendung [1].
(Bild rechts). Ihre Aufgabe ist, durch ihren hohen Innenwiderstand (und damit annähernd konstanten Anodenstrom) die Verstärkung von Gleichtaktspannungen am Ausgang des Differenzverstärkers zu minimieren.
(Gleichtaktspannung entsteht, wenn die Spannungen an beiden Eingängen des Differenzverstärkers sich in die gleiche Richtung und mit gleichem Betrag verändern).

c) Kondensator Ladestromerzeugung in Sägezahngeneratoren

d) Spannungspegelumsetzer mit Frequenzbereich bis 0Hz (DC-Kopplung).
Eine sehr wichtige Anwendung für eine Stromsenke in einer Schaltung stellt der Spannungspegelumsetzer dar. Immer dann, wenn Gleichspannungsverstärker aus mehreren Stufen bestehen, ist es wünschenswert, dass die nachfolgende Stufe an ihrem Gitter einen Spannungspegel nahe 0 "sieht".
Gleichzeitig wird von einem solchen Pegelumsetzer ein geringer Verlust von Signalspannung erwartet, da der Verlust sonst durch weitere Verstärkerstufen kompensiert werden muss.

Vor allem in Operationsverstärkern mit Röhren wurde die Pegelumsetzung mit Hilfe von Spannungsteiler-Netzwerken durchgeführt [2, 11], teilweise auch mit Hilfe von Stabilisatorröhren [11].

Bild unten: Operationsverstärker mit Teilernetzwerk (an V1b) und mit Stabilisatorröhre (an V2a)

Dabei ging in den Widerstandsteilern im Gegensatz zur Lösung mit Stabilisatorröhre generell ein Teil der Signalspannungsamplitude im Spannungsteiler Netzwerk verloren. Auf der anderen Seite erhöht der Einsatz einer Stabilisatorröhre den Materialaufwand und die Schaltkapazitäten.

Den Verlust im Widerstandsteiler hat man häufig durch den Einsatz hoher negativer Hilfsspannungen am unteren Teilerwiderstand (5.1MΩ, Bild oben) zu minimieren versucht. Da für die Spannungsteiler Netzwerke i.d.R. hochohmige Widerstände verwendet wurden (um die vorhergehende Stufe möglichst wenig zu belasten), mussten diese auch noch zwecks besseren Frequenzgangs mit Parallelkondensatoren (zu R1, Bild oben) versehen werden.

Erst der Einsatz von Stromsenken (V2, links) konnte die Situation verbessern [12].
Allerdings wiesen auch die damals verwendeten Stromsenken endliche Innenwiderstände auf. Verwendet wurden als Stromsenken sowohl Pentoden als auch Trioden.

 

In der Konfiguration als Stromsenke wurde auch gern eine Pentode (rechts) mit ihrem inherent höheren Innenwiderstand verwendet, wenn die Versorgung des Schirmgitters dabei konstant bleiben konnte.

Dabei wird ΔVa/Δia=Rp(1-ia/ic) wobei Rp=Anodenwiderstand, ia=Anodenstrom, ic=Kathodenstrom

Mit dieser Anordnung kann ein Innenwiderstand von maximal ca. 10MOhm erreicht werden.

Ideal für eine Differenzverstärkerstufe wäre jedoch ein unendlich grosser Innenwiderstand der Stromsenke, da dann am Ausgang die Gleichtaktspannung immer annähernd gleich Null bleibt, bzw. maximale Unterdrückung erfährt.

Dazu wurde u.a. von Philips 1955 [3] vorgeschlagen, die Versorgung des Schirmgitters (g2) relativ zum Kathodenpotenzial konstant zu halten (Bild links).
Dafür muss aber zusätzlich eine Stabilisatorröhre zwischen Kathode und Schirmgitter verwendet werden. Weiterer Nachteil ist die Zunahme der Schaltkapazitäten, die die obere Grenzfrequenz herabsetzen und der zusätzliche Parallelwiderstand der durch die Versorgung der Stabilisatorröhre entsteht.

 

Um den Pluspol der Stabilisatorröhre wiederum von der Versorgungsspannung zu entkoppeln (hochochmig zu machen), wurde die nebenstehende Erweiterung der Schaltung vorgeschlagen, wobei bereits diese gezeigte Erweiterung ihrerseits eine (relativ einfache) Stromquelle darstellt. Unter Zuhilfenahme dieser Erweiterung ergibt sich ein Innenwiderstand der obenstehenden Stromsenke von:
ΔVa/Δia ≈ μ1a * Rs, wobei
Rs = Rk * R/(Rk+R)

Die nebenstehende Schaltung wurde anstelle des Widerstands R in der obenstehenden Schaltung angeschlossen. Dabei kann der Innenwiderstand der obenstehenden Stromsenke letztendlich mehrere 10 MΩ erreichen.
 

 

Eine weitere Ausführungsform der Stromsenke ist die Anordnung mit zwei Trioden in Serie (Kaskode), wobei die "obere" Triode mit ihrem Gitter an einem Potenzial liegt, das den Betrieb der "unteren" an einer annähernd konstanten Anodenspannung erlaubt, da nunmehr die obere Triode in Gitterbasisschaltung arbeitet.
Hierbei multiplizieren sich die Verstärkungen der beiden Trioden, was den Innen-widerstand an der Anode der "oberen" Triode weiter erhöht.
Dadurch ergibt sich:

ΔVa/Δia > μ1 * μ2 * rk ,
bei zwei gleichen Trioden also
ΔVa/Δia > μ^2 * rk

Zudem erzeugt diese Schaltung weniger Rauschen, als eine Stromsenke mit einer Pentode.

Da die Verstärkung aller Trioden zusammen trotzdem nur endlich ist, bleibt auch der Ausgangswiderstand dieser Stromsenke endlich. Solange kein Gitterstrom fliessen darf, können die Gitterspannungen auch durch einen Widerstandsteiler erzeugt werden (Parallelkondensatoren schalten).

Die eben genannte Ausführungsform einer Stromsenke lässt sich durch weitere Trioden in Serie (Kaskode) auf immer grössere Innenwiderstände erweitern [3].
Allerdings steigt dabei der Anteil an Schaltkapazitäten mit jeder weiteren Triode in Serie, was die Grenzfrequenz zunehmend herabsetzt.

Eine in der Röhrenliteratur nicht oder kaum bekannte Schaltung für eine Stromsenke oder (unter bestimmten Bedingungen auch Stromquelle) ist die folgende:

 

Eine Kaskodeschaltung aus zwei verschiedenen Trioden V1 + V2, wobei V1 eine sehr hohe Steilheit auch bei kleiner Anodenspannung haben muss, während die Triode V2 für den Arbeitsstrom der unteren Triode eine sehr hohe negative Gittervorspannung haben sollte (z.B. 12B4).

Dies sorgt dafür, dass die Anodenspannung von V1 gleich der Gittervorspannung von V2 ist. Bei der richtigen Kombination ergibt sich so eine Serienschaltung, bei der nur e i n Kathodenwiderstand die Gittervorspannung für b e i d e Röhren erzeugt.

Die Röhre V1 (z.B. 6DJ8/ECC88) erlaubt bei ausreichend hoher Steilheit und Perveanz (anm.: Perveanz oder auch Raumladungskonstante beschreibt die zur Erzielung eines Stromflusses erforderliche Anodenspannung [13]) eine so niedrige Anodenspannung, dass die Kathodenspannung der V2 als Anodenspannung der V1 ausreicht.

Vorteilhafterweise verwendet man für V1 eine Spanngitterröhre, die die besten Voraussetzungen für diesen Einsatzzweck mitbringt.

Die Schaltung ist ähnlich solchen mit Feldeffekttransistoren aufgebauten Stromquellen [4, 5].

Diese Serienschaltung erzeugt o h n e extra Spannungsteiler oder schwebende Referenzspannungen einen deutlich höheren Innenwiderstand als eine Triode allein.
Gleichzeitig wird diese Schaltung dadurch auch als Stromquelle verwendbar, wobei lediglich e i n e schwebende Heizspannung verwendet werden muss, aus der bei Bedarf gleichzeitig auch die Gitterspannung von V1 gewonnen werden kann.

2. Stromquelle (Kathodenseitige Last)

Verwendungszweck:
a) Ersatz einer Induktivität im Anodenzweig,
b) Erzielung maximaler Verstärkung mit nur 1 Triode/Pentode,
c) Kondensator Ladestromerzeugung in Sägezahngeneratoren
d) Linearisierung einer Verstärkerstufe durch konstanten Anodenstrom

Bei kathodenseitiger Last kann eine Pentode nur mit Hilfe zusätzlicher Massnahmen (= weitere Bauelemente) eingesetzt werden, da sich sonst die Schirmgitterspannung zusammen mit dem Kathodenpotenzial ständig verändern würde.

Sonst würde der Innenwiderstand des Schirmgitterzweigs dem Gesamt-Innenwiderstand parallel liegen, was unerwünscht ist.

Schaltungen mit Pentoden für kathodenseitige Last, die das Problem mit der Schirmgitterimpedanz vermieden, wurden zwar entwickelt, konnten sich aber wegen des erhöhten Aufwandes und wegen weiterer Nachteile (Schaltungskapazitäten) nicht durchsetzen.

Jedoch häufiger wurden Trioden für solche Zwecke eingesetzt.
Bild rechts: Einfache Stromquelle für die Entkopplung der g2- Betriebsspannung in einer Differenzverstärkerstufe mit Pentoden (Vorschlag Philips).

Natürlich muss auf die Spannungsfestigkeit zwischen Kathode und Heizung (Vkf) geachtet werden, was die Röhrenauswahl weiter einschränken kann.
Wenn die Betriebsspannung nicht grösser als Vkf (positiv + negativ) ist, kann auf den Einsatz einer "schwebenden" Heizspannungsversorgung evtl. verzichtet werden.

Die wohl bekannteste Anwendung einer Stromquelle mit Triode an kathodenseitiger Last ist die des Series Amplifier.
(Bild rechts)

Hier liegt die Stromquelle in Serie mit der Anode eines Verstärkers (Triode oder Pentode).

1940 Eingereicht zur Patentanmeldung von Maurice Artzt und 1943 unter Nummer US2310342 erteilt [6], wurde diese Schaltung "Balanced direct and alternating current amplifier" genannt.

Heute trägt diese Schaltung den Namen SRPP (Series Regulated Push Pull) oder auch SEPP (Single Ended Push Pull).

Hierbei geht es nach Angaben des Erfinders aber hauptsächlich um die Unabhängigkeit der Ausgangsspannung von der Versorgungsspannung und um die Reduktion von k2 im Spektrum einer Ausgangswechselspannung.

Eine theoretisch maximale Verstärkung mit nur 1 Triode liess sich damit nicht verwirklichen.
 

Aber wie erreicht man einen unendlich grossen Innenwiderstand bei einer mit Röhren aufgebauten Stromsenke?

Und wie erst recht bei einer mit Röhren aufgebauten Stromquelle ?

Die Antwort heisst: mit positivem Feedback.

Zunächst gleich noch eine Antwort auf eine Frage, die immer wieder im Zusammenhang mit positivem Feedback gestellt wird:
Nein, die Schaltung "läuft nicht aus dem Ruder", solange dem positiven Feedback auch ein negatives Feedback zur Stabilisierung gegenüber gestellt wird.
Darauf wird bereits in Valley/Wallman's "Vacuum Tube Amplifiers" [7] hingewiesen. Dort wird ausserdem dafür plädiert, positives Feedback niemals über mehrere Verstärkerstufen hinweg anzuwenden, sondern immer nur innerhalb jeweils 1 Stufe.

Stromsenke mit unendlich grossem Innenwiderstand:

In [8] wird 1962 eine Schaltung einer Stromsenke mit positivem Feedback beschrieben, die zwar 1967 [9] nochmals erwähnt wurde, später aber völlig in Vergessenheit geriet.
Hierin heisst es: "Obwohl negatives Feedback es innerhalb bestimmter Grenzen möglich macht, brauchbar hohe Innenwiderstände in Stromquellen zu erzeugen, reicht dies dennoch nicht zur Erzeugung extrem hoher Werte."

Und weiter: "Andererseits kann mit einer einfachen Schaltung unter bestimmten Bedingungen und unter Anwendung von positivem Feedback ein extrem hoher Innenwiderstand erreicht werden."

Der extrem hohe Innenwiderstand wird durch das positive Feedback von der Anode von Röhre 1 zur Kathode derselben Röhre erzielt, Röhre 2 wird lediglich zur Impedanztransformation verwendet. Ein negatives Feedback entsteht durch den hochohmigen Widerstand an der Kathode von Röhre 1, wodurch die in [7] postulierte Bedingung für Stabilität erfüllt ist. Allerdings ist die exakte Einstellung des Feedbacks von den Parametern der verwendeten aktiven Bauelemente abhängig.

Die gezeigte Schaltung ist im Gegensatz zu den weiter oben genannten weit weniger im Frequenzgang eingeschränkt, da sie im Prinzip aus der Kombination eines Kathodenfolgers mit einer Gitterbasisstufe besteht.
Sowohl der Kathodenfolger als auch die Gitterbasisstufe sind bekannt für ihren weiten Frequenzgang. Als negatives Feedback (Stromgegenkopplung) fungiert hier Rk der in Gitterbasisschaltung arbeitenden Röhre V1.
Bandbreiten von > 100kHz bis 1MHz sind je nach verwendeten Röhren möglich.

Als Kondition für unendlichen Innenwiderstand gilt hierbei [8, 9]:
Anders ausgedrückt: der Spannungsteiler R2/R1 (Bild oben) muss ein Teilverhältnis haben, das in etwa dem μ von Röhre V1 entspricht. Die Schaltung lässt sich problemlos auch mit Transistoren realisieren, allerdings muss dabei beachtet werden, dass der Basisstrom des zweiten, als Spannungsfolger geschalteten Transistors mit in die Berechnungen eingeht.

In einer Transistorschaltung setzt man daher als Spannungsfolger besser einen Sourcefollower (JFET oder MOSFET) ein, wobei wiederum der JFET wegen seiner geringen Cgs Eingangskapazität die beste Wahl ist.

Beim Aufbau mit Röhren ist ausserdem darauf zu achten, dass die Trioden innerhalb eines Systems möglichst gegeneinander geschirmt sind, das verhindert ungewollte Kopplungen, sowohl durch Schaltkapazitäten als auch durch vagabundierende Elektronen.
Zudem muss bei Röhre 2 auf die Spannungsfestigkeit zwischen Kathode und Heizung (Vkf) geachtet werden, was die Röhrenauswahl weiter einschränken kann.
Wenn die Betriebsspannung nicht grösser als Vkf ist, kann auf den Einsatz einer "schwebenden" Heizspannungsversorhung evtl. verzichtet werden.
Zwei getrennt aufgebaute Trioden werden hier am wenigsten Probleme verursachen.

Bei dieser Gelegenheit liegt es nahe, für Röhre 2 eine Triode mit hoher Perveanz zu verwenden wie z.B. die 12B4, das verhindert Gitterstrom für den Fall, dass durch R2 ein relativ hoher Strom fliessen muss und verbesssert gleichzeitig die Linearität der Schaltung.

Eine bislang nicht erwähnte Tatsache ist, dass das Spannungsteilerverhältnis dazu verwendet werden kann, nebst einem unendlichen Innenwiderstand auch einen positiven oder gar auch negativen Innenwiderstand zu erzeugen.

Negativer Innenwiderstand? wird sich Mancher jetzt vielleicht fragen. Kurz erklärt:

Ein positiver Widerstand ist einer, der mit steigender angelegter Spannung einen immer höher werdenden Strom fliessen lässt.

Ein negativer Widerstand ist einer (Kurve rechts, Schaltbild unten), der mit steigender angelegter Spannung einen immer geringer werdenden Strom fliessen lässt.

Vielen ist bekannt, dass man mit einem negativen Widerstand Signalspannungen verstärken oder auch Schwingungen in einem Schwingkreis anregen kann.

 

Unter Bezug auf die weiter oben genannten Spannungspegelumsetzer lässt sich mit einer auf negativen Innenwiderstand "getrimmten" Stromsenke nun also ein verstärkender Spannungspegelumsetzer aufbauen (Bild links). Damit kann in einem mehrstufigen Gleichspannungsverstärker gegebenenfalls eine Verstärkerstufe eingespart werden, ganz zu schweigen vom deutlich besseren Frequenzgang der damit ausgerüsteten Schaltung.
Die Spannungsquelle V1 könnte z.B. eine NE2 Glimmlampe sein, die eine negative Spannungsquelle stabilisieren würde.

 

Das ist aber noch lange nicht alles:

Wenn der Spannungsteiler R2/R13 (links oben) auf negativen Innenwiderstand getrimmt ist und zusätzlich parallel zu R2 ein Kondensator geschaltet wird, erreicht man dadurch eine negative Kapazität am Eingang der Stromsenke.
Dadurch können positive (Schalt- und Anodenkapazitäten) Kapazitäten im Eingang der Stromsenke kompensiert werden, was den Frequenzgang der gesamten Schaltung weiter verbessert.

Prinzipiell können mit der entsprechend "getunten" Stromsenke Kapazitäten in Induktivitäten und umgekehrt verwandelt werden, was den Anwendungsbereich dieser Schaltung erheblich vergrössert.

Nun zur Stromquelle mit unendlichem Innenwiderstand:

Ein erster Ansatz war weiter oben bereits mit der Hilfsschaltung der Fa. Philips zu erkennen [3]. Dieser Ansatz wurde bei Philips fortgeführt und gipfelte in einem Patent von 1959, Anmeldedatum 22.08.1954.
Hier wird ein Differenzverstärker mit zwei in Gegentakt geschalteten Pentoden gezeigt (Fig.2), wobei das Kernstück die Versorgung der Schirmgitter aus einer Stromquelle mit hohem Innenwiderstand ist.

Durch die Kombination einer Stabilisatorröhre mit einem Kathodenfolger kann die über einem Referenzwiderstand (28) abfallende Spannung konstant gehalten werden, wobei die Spannung über dem Widerstand (28) = Spannung über der Stabilisatorröhre + Gitterspannung der Regelröhre.

Dadurch entsteht eine relativ hochohmige Stromquelle, deren Innenwiderstand v.a. von der Verstärkung der Regelröhre (26) abhängt.

Das Patent zeigt mehrere Ausführungsformen, wobei Fig.2 und Fig.3 am interessantesten sind, da diese mit nur 1 Stabilisatorröhre auskommen.

 

 

 

Da in Fig.3 (Bild rechts) statt des Kathodenwiderstands eine Stromsenke vorgesehen wurde, ist diese Schaltung natürlich die hochohmigere der beiden, da jetzt der grössere Innenwiderstand der kathodenseitigen Stromsenke (30) dem Innenwiderstand der anodenseitigen Stromquelle (26-28, 31) parallel liegt.

Diese Schaltung kann, anstatt die Schirmgitter von Pentoden in einem Differenzverstärker zu versorgen, auch als Anodenwiderstände der beiden Pentoden (anm.: aber nur in Form eines Stromspiegels *) oder als Anodenwiderstand zweier in Kaskode geschalteter Trioden verwendet werden, wobei die erzielbare Verstärkung der Verstärkerstufe deutlich gesteigert werden kann.

Natürlich gelten hier ebenfalls Einschränkungen im Frequenzgang durch die Zunahme aller Schaltungskapazitäten. Bei geeigneter Röhrenauswahl sind aber trotzdem noch höhere Audiofrequenzen erreichbar.

Immerhin erscheint mir ein Ersatz teurer spezial Audio-Drosseln mit Hilfe dieser Schaltung überlegenswert.

Auch die obige Schaltung lässt sich, wie die nebenstehende Abbildung zeigt, durch Einsatz einer Differenzverstärkerstufe noch weiter verfeinern, dabei entfällt übrigens die Stabilisatorröhre und es kann wegen dem jetzt möglichen positiven Feedback theoretisch auch eine Stromquelle mit negativem Innenwiderstand realisiert werden.
Die Simulation dieser von mir aus dem Philips Patent weiterentwickelten Schaltung zeigt ermutigende Resultate, wie weiter unten in der Graphik dargestellt ist.

* dazu später einmal mehr.

 

 

Die Röhre U2 muss dabei auch mit sehr niedriger Anodenspannung noch eine ausreichende Verstärkung liefern können, was durch Einsatz einer ECC88 o.ä. ermöglicht wird. Die eigentliche Stromregelröhre ist U1, vorzugsweise eine steile Triode, die eine höhere Anoden-spannung als U2 erlaubt. Die neben-stehende Schaltung liefert bei Eingangsspannungen (V in) von 70V bis 240V einen konstanten Ausgangsstrom in die Spannungs-quelle V2 hinein. Die Ausgangs-spannung wird über Röhre U3 als Kathodenfolger abgegriffen. Für U3 muss eine Röhre wie die 12B4 verwendet werden, sonst setzt bei höherer Last Gitterstrom ein, was die Linearität der Schaltung zunichte machen würde. Die Konstanz dieses Stromes lässt sich am folgenden Diagramm ablesen:

I(V2) zeigt dabei die Kurve des Eingangsstroms über der angelegten Eingangsspannung V(in), welche z.B. eine Anodenspannung einer vorher-gehenden Stufe sein kann.
Ebenfalls im Diagramm zu erkennen ist die Anodenspannung von U2 (hellblau), die sich aus der Subtraktion von V(a2) – V(k) ergibt. Diese erreicht lediglich maximal ca. 45V, während die Anodenspannung von U1 (rot) sich über einen Bereich bis zu 260V erstreckt. Die Eingangsspannung V(in) mit angepasster Verstärkung/Abschwächung plus Offset (violett) ist über die Ausgangsspannung V(out2) gelegt (grün), um den Verstärkungsfaktor und die Linearität der Schaltung zu zeigen.
Der Verstärkungsfaktor ist bei der gezeigten Schaltung = 0.8, was aber durch den Zugewinn an Verstärkung bei Verwendung als aktiver Anodenwiderstand mehr als kompensiert wird.
Die Heizspannung aller drei Röhren U1, U2, U3 kann auf dem gleichen schwebenden Niveau liegen.

Zum Schluss noch ein Vergleich der Linearität von 3 verschiedenen von mir simulierten Stromsenken:

Links mit ECC81 simuliert, in der Mitte mit ECC88 simuliert und rechts, wie weiter oben beschrieben, mit zwei unterschiedlichen Trioden, wobei in dieser Anordnung auf die 300V Hilfsspannung verzichtet werden kann. Erweitert man die linken beiden Stromsenken um eine negative Hilfsspannung, an die R9 bzw. R4 anschliessend angeschlossen werden, dann wird der Ausgangsstrom noch konstanter. R9 bzw. R4 müssen dann genauso wie R11 und R6 vergrössert werden.

 

Der Verlauf der Ströme (Bild rechts) ist von 50V bis 300V annähernd konstant, insbesondere bei den beiden linken Schaltungen. Aber selbst die Schaltung oben rechts zeigt noch einen Innenwiderstand von
ΔUa/Δia = 250V/200uA = 1.25MOhm und ist zudem dafür geeignet, auch als Stromquelle (mit schwebender Heizspannung) verwendet werden zu können.

Anmerkung: Die Simulation mit Röhren ist eine recht zuverlässige Sache, solange man sich über die in den Simulationsmodellen nicht berücksichtigten Eigenschaften bewusst ist und entsprechende Vor- kehrungen trifft.
In meiner berfulichen Praxis arbeite ich seit Jahren erfolgreich mit Simulationen, diese haben mir in dieser Zeit tausende von ansonsten erforderlichen Versuchen, Messungen und viele Musteraufbauten erspart.
 

Der kleine Streifzug durch die Röhren-Entwicklungsgeschichte hat gezeigt, dass auch Stromquellen mit Röhren angewendet wurden bzw. angewendet werden können und damit ausgerüstete Schaltungen (z.B. Audioverstärker) in ihren Eigenschaften sogar verbessert werden können.
Weiterhin gezeigt wurde, dass es möglich ist, eine Stromsenke oder auch -quelle mit annähernd unendlichem Innenwiderstand zu konstruieren. Sogar negative Innenwiderstände sind realisierbar, was den Anwendungsbereich von Stromsenken/-quellen erheblich erweitern dürfte.

Ich wünsche Allen, die sich nun zu entsprechenden Simulationen, Konstruktionen und Aufbauten ermutigt fühlen ein erfolgreiches Arbeiten.
Wären noch mehr Röhren als Simulationsmodelle verfügbar, liesse sich noch schneller die überhaupt bestmögliche Schaltung in dieser Kategorie entwickeln.

Liebe Grüße
Achim

 

Quellenhinweise:

[1] Vacuum Tube Amplifiers, Valley / Wallman, McGraw-Hill, 1948, pp. 481

[2] R. M. Howe, Design Fundamentals of Analog Computer Components, Van Nostrand Co., 1961,
     pp. 86-88

[3] G. Klein, "Rejection Factor of Difference Amplifiers", Philips Research Reports 10, 1955,
     pp. 241-259,

[4] Current Sources and Voltage References, Newnes, 2005, pp.167

[5] "The FET Constant-Current Source/Limiter", Siliconix Application Note AN103, 1997

[6] Maurice Arzt, Patentschrift US2310342, einsehbar unter w w w depatisnet.dpma.de

[7] Valley / Wallman, Vacuum Tube Amplifiers, McGraw-Hill, 1948, pp. 475

[8] AMBRÓZY, A.: 'Current source with very great resistance', Periodica Polytechnica, 1963, 7,
     pp. 185-195

[9] AMBRÓZY, A, "Constant current source with infinite internal resistance", Electronics Letters,
     February 1967 Vol.3 No.2, pp. 68-69

[10] Pieter J. W. Jochems + Gerrit Klein, "Differenzverstärker mit zwei in Gegentakt geschalteten
       Pentoden", N.V. Philips' Gloeilampenfabrieken, Eindhoven, Patent DE971705B ausgegeben am
       19. März 1959, einsehbar unter w w w depatisnet.dpma.de

[11] Nenadal / Mirtes, Analogue and Hybrid Computers, Iliffe Books Ltd., London / American Elsevier
      Publishing Co., New York, 1962, pp. 106

[12] Korn and Korn, Electronic Analog Computers, McGraw-Hill, 1956

[13] Rothe-Kleen, Grundlagen und Kennlinien der Elektronenröhren, Leipzig 1953, pp. 189

 

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