VFD-Display-Röhre LD8051 als Verstärkerröhre

VFD-Display-Röhre LD8051 als Verstärkerröhre

Bevor die VFD-Displays mit komplexen Anzeigestrukturen in Form von Komplett-Displays auf den Markt kamen, wurden die zur Anzeige dargestellten Anzeigenelemente mit Einzel-Displays in Form von z.B. Siebensegment-Anzeigen, realisiert. Dies war eine Weiterentwicklung in der Anzeigentechnologie,  welche zum damaligen Zeitpunkt noch von den Nixie-Anzeigeröhren beherrscht wurde. Ein Nachteil der Nixie-Anzeigen war der notwendige Betrieb mit hohen Betriebsspannungen, die für die sich durchsetzende Schaltungstechnik mit Halbleitern einen entscheidenden Nachteil hatten. Die Entwicklung der Anzeigentechnik mit niedrigen Betriebsspannungen war Anfang der 60er Jahre eingeleitet und mit der VFD-Technologie (Vakuum Fluoreszenz Display) dann eine Niederspannungsvariante in Japan entwickelt worden.

Ein Vorteil der Vakuum-Fluoreszenz-Technologie war, dass der Betrieb mit wesentlich geringeren Betriebsspannungen möglich ist, so das auch die Ansteuerung von Display und Segmenten mit Halbleitern (z.B. Transistoren, ICs) realisiert werden konnte. Die Type LD8051 wurde in Kleingeräten wie Tisch- bzw. Taschenrechner oder Messgeräte zur Anzeige der Ziffern und mathematische Zeichen wie „+“ usw. verwendet. Schon bald nach Erscheinen der VFD-Anzeigentechnologie kamen Anzeigen in Flachbauweise auf den Markt, in denen mehrere Zeichen in einer Anzeige zusammengefasst wurden. Typisch waren z.B. Uhrendisplays, Taschenrechnerdisplays oder Anzeigen mit speziell an den jeweiligen Verwendungszweck angepassten Anzeigensymbolen.

Nach Informationen der Firma Itron Noritake wurde die VFD-Technik von Tadashi Nakamura,    entwickelt „president of the Ise Electronics Corp., the Digitron is a joint Ise-Hayakawa Electric Co. Development effort.“ [1]

Die folgenden Skizzen aus einem Patent von 1967 zeigen prinzipiell die Ausführung der ersten auf dem Markt erhältlichen VFD-Röhren.

Bild 1: Skizzen aus Patent US3508101 mit deutschen Erläuterungen

Erläuterungen:

 1  Glaskolben, 2  Leuchtstoff-Anode,  3  Keramikplatte,  4  durchgehende Rillen, 14 leitfähige Schicht

15 Leuchtstoffschicht, 18 Character-Elektroden 41-51, 20 Typen-Gitter, 33 Bauteile-Träger

35 Heizer/Katode, 44 Leerraum zwischen Elektroden. 41-51 Fluoreszierende Elemente

 

Die folgende Skizze aus einer Electronics Ausgabe von 1967 zeigt eine weitere Sicht auf die ersten VFD-Röhren.

Bild 2: VFD-Anzeigenprinzip aus einem Beitrag in der Electronics, May 29, 1967, p. 212-213

Seit den 90er Jahren wurden von einzelnen Bastlern Vorschläge zur Verwendung dieser Einzeldisplay-Röhren als Verstärkerröhren (Trioden) gemacht. Diesen Vorschlägen habe ich damals keine Bedeutung gegeben, zumal man durch einfache Messungen schnell feststellen kann, dass mit dieser Verwendung nur Nachteile zu erwarten sind aber keine Vorteile gegenüber herkömmlichen Verstärkerröhren für Batteriebetrieb.

Ein erneuter Aufmerksamkeitsschub wurde ausgelöst, als 2015 eine Zweifach-Verstärkerröhre auf Basis der VFD-Technologie von einem bekannten Unternehmen aus der Musikbranche (Korg) vorgestellt wurde. Auch von diesem Vorhaben habe ich keine Fortschritte erwartet, zumal nach dieser Ankündigung einige Zeit verging, bevor vereinzelt Produkte ab 2018 auf den Markt kamen, die einmal recht teuer gegenüber herkömmlichen Geräten waren und die auch nur für einen speziellen Abnehmerkreis in der Musikbranche interessant zu sein schienen. Mittlerweile sind eine Fülle von Produkten auf dem Markt erschienen, die für mich ein Interesse weckten, dieser VFD-Technologie mehr Aufmerksamkeit zu widmen und die wirkliche Erfolgsfaktoren dieser neuen Verwendung der VFD-Technologie für Verstärkerzwecke herauszuarbeiten.

Meine Wahl fiel zunächst auf die VFD-Type LD8051, weil sich einige Exemplare in meinem Fundus befinden. Damit habe ich einige grundlegende Fragestellungen bearbeitet, um danach dann weiter auf die speziellen Produkte der Fa. Korg weiter detailliert einzugehen, in denen die neuen Vakuum-Röhren-Produkte in VFD-Technologie verwendet werden.

Schwerpunkt dieses Beitrags ist die Darstellung, ob und wie die VFD-Technik als Verstärkerröhre verwendet werden kann.

Eine Antwort möchte ich an dieser Stelle jetzt schon geben:

Ja, mit der VFD-Technologie kann grundsätzlich auch eine Trioden-Funktion realisiert werden. Allerdings sind alle Vorteile der herkömmlichen Röhren-Aufbautechnik nicht zu erreichen. Es müssen Einschränkungen bezüglich der zu verstärkenden Frequenzen, der Höhe möglicher Verstärkung hingenommen werden und es ist keine leistungslose Ansteuerung zu erreichen.

Im Folgenden ist zunächst der grundsätzliche Aufbau einer einzelnen VFD-Röhre dargestellt.

                                                        Bild 3: Röhrenaufbau der LD8051

Die Darstellung ist grob schematisch und zeigt alle relevanten Details für die noch folgenden Ausführungen.

Zwei gespannte Heizfäden, die zwecks besserer Emission mit Bariumoxid ummantelt sind,  erzeugen Elektronen, die zum Aufleuchten von 7 speziell angeordneten Segmenten zur Zifferndarstellung dienen. Zwischen den beiden Heizfäden und den 7 Leuchtsegmenten ist ein gelochtes Flächengitter angeordnet, welches zur Helligkeitssteuerung bzw. zum Schalten (Multiplexen) der 7 Leuchtsegmente benötigt wird. Jedes der 7 Segmente ist mit grün leuchtendem Leuchtstoff präpariert und die Anschlüsse der Segmente sind nach außen geführt. Elektrisch sind die beiden Heizfäden die Kathode. Das gelochte Flächengitter ist das Steuerungsorgan des Elektronenstroms zu den sieben Anoden der 7 Segment-Anzeige. Als 8te Anode ist noch ein Dezimalpunkt vorhanden.

Zum Betrieb als Verstärkerröhre sind folgende elektrischen Bedingungen notwendig:

1) Die beiden Heizfäden sind parallel geschaltet und benötigen eine Spannung von 1,2 Volt und einen Strom von 60 mA. Sollen die Heizfäden aus einer höheren Spannungsquelle betrieben werden, ist eine Strombegrenzung des Heizstromkreises auf 60 mA notwendig, der mit einem entsprechend dimensionierten Widerstand erfolgen kann.

2) Das Gitter benötigt eine positive Spannung, damit die Elektronen die entsprechenden Segmente zum Leuchten bringen können. Die Höhe der Gitterspannung wird entsprechend der gewünschten Helligkeit der darzustellenden Ziffer eingestellt.

3) Je nach darzustellender Ziffer, werden die jeweiligen Anoden auf eine positive Spannung geschaltet. Im praktischen Betrieb werden zu diesem Zweck sogenannte 7 Segment Decoder verwendet, die aus einer ansteuernden elektronischen Schaltung je nach Verwendungszweck die entsprechende Steuerung vornehmen.

Für einen Betrieb als Triode werden alle acht anzeigende (leuchtende) Segmente zu einer gemeinsamen Anode zusammen geschaltet. Das Gitter dient zur Steuerung der zu verstärkenden Eingangsspannung. Im Anodenkreis wird ein Arbeitswiderstand eingeschaltet, an dem die verstärkte Spannung für die weitere Verwendung abgegriffen wird. Die Kopplung zur und von der Triode erfolgt über Kondensatoren.

Die folgende Skizze des Sockelschaltbilds zeigt die anzuschließenden Elektroden.

          Bild 4: Das Sockelschaltbild                                                 Bild 5: Foto vom Sockel

 

Auf dem Foto ist der nicht angeschlossene Kontakt (NC) im Vordergrund zu sehen. Er dient zur Orientierung beim Anschließen der Sockeldrähte. Die beiden mit roten Isolierschläuchen gekennzeichneten Anschlüssen sind die Heizer-Anschüsse und der mit dem gelben Isolierschlauch ist der Gitter-Anschluß.

Mit welcher Begründung sollte man eine Röhre zur Verstärkung verwenden, die eigentlich speziell zur Anzeige von Ziffern in elektronischen Geräten entwickelt wurde?

Mir sind bisher keine schlüssigen Gründe eingefallen außer die folgenden:

a) Im Prinzip kann man mit einem derartigen konstruktiven Röhrenaufbau auch eine Verstärkung realisieren.

b) evtl. bringt dieser andersartige Aufbau für spezielle Röhrenschaltungen andersartige Klänge im Tonfrequenzbereich hervor, speziell für Liebhaber von Röhrenverstärkern wie Gitarristen, die mit ihren Elektrogitarren und diversen Zusatzgeräten spezielle Klänge aus ihren Röhrenverstärkern erzeugen können.

 

Zunächst soll kurz dargestellt werden, was zwischen diesem Röhrenaufbau für eine VFD-Anzeige anders ist als bei herkömmlichen Verstärkerröhren.

Die folgenden Bilder zeigen die prinzipiellen Unterschiede.

Die Abstände zwischen den Elektroden sind bei der herkömmlichen Triode deutlich geringer. Die Anodenfläche ist bei der herkömmlichen Triode deutlich größer. Das Gitter wird als Drahtwindung über Haltestege zwischen Heizer und Anode mit geringen Anständen angeordnet. Bei der VFD-Röhre ist das Gitter deutlich feinmaschiger und mit größerem Abstand zwischen Heizer und den Segment-Anoden angeordnet.

Diese Unterschiede in der Ausführung der jeweiligen speziell zur Funktion benötigten Anordnungen führen dann zu der abweichenden Arbeitsweise der VFD-Röhre als Röhrenverstärker.

          Bild 6: Aufbauprinzip einer VFD-Röhre                        Bild 7: Aufbauprinzip einer Flächentriode

 

Die Auswirkung der unterschiedlichen Gitter auf die Stromverteilung von der Kathode zur Anode wird durch eine Emissionsmessung deutlich, bei der der Anodenstrom und der Gitterstrom getrennt gemessen wird. Dazu wird die folgende Messschaltung verwendet:

Bild 8: Messschaltung für die Emissionsmessung

 

Das Ergebnis für beide Röhren ist in den folgenden beiden Grafiken dargestellt.

Bild 9: Stromverteilung bei der Type LD8051                  Bild 10: Stromverteilung bei der Type 5676

 

Die Grafiken zeigen deutlich, dass die Anodenspannung bei der Flächentriode besser durch das Gitter durchgreift und so für einen Anodenstromanteil von ca. 60% vom Emissionsstrom sorgt. Dagegen kann das Anodenpotential bei der VFD-Röhre nur zu ca. 20% auf den Emissionsstrom durchgreifen. Dies ist in der großen Maschendichte des Gitters der VFD-Röhre begründet.

Dann ist noch sehr auffällig, dass der Emissionsstrom bei der Flächentriode bei wesentlich geringeren Betriebsspannungen einsetzt. Dies ist in den deutlich geringeren Elektroden-Abständen begründet.

Noch deutlicher werden die Unterschiede dieser verschiedenen Röhrenaufbauten, wenn man die Kennlinien und die Röhrendaten vergleicht.

 

Eine gemessene Kennlinie von einer LD8051 zeigt, dass bei 0V Gitterspannung kein Anodenstrom fließt. Erst durch positive Gitterspannungen von mehreren Volt, lässt sich die VFD-Röhre steuern.

                                              Bild 11: gemessene Kennlinie einer VFD-Röhre

                                              Bild 12: gemessene Kennlinie einer Flächen-Triode

 

Ein Vergleich der Kennlinien zu einer Subminiatur-Röhre Typ 5676 zeigt die deutlichen Unterschiede. Bis 3000 Mikro-Ampere lässt sich die Flächentriode mit negativen Gitterspannungen leistungslos steuern. Die VFD-Röhre lässt sich nur mit positiven Gitterspannungen steuern mit dem Nachteil von Gitterströmen bis 1mA. Dies hat niedrige Eingangswiderstände zur Folge.

Die Überprüfung, ob es einen Arbeitsbereich für die VFD-Röhre gibt, in dem sich die VFD-Röhre ausschließlich mit negativen Gitterspannungen steuern lässt, hat ergeben, dass dazu die VFD-Röhre mit relativ hohen Anodenspannungen betrieben werden müsste, wie das die folgenden gemessenen Kennlinien zeigen.

                   Bild 13: Kennlinien für negative Steuerspannung für VFD-Triode LD8051

Allerdings sind die dazu erforderliche hohen Anodenspannungen von über 100 Volt bei den VFD-Röhre nicht vorgesehen. Auch die zu erreichenden Anodenströme sind niedrig, so dass ein derartiger Betrieb für eine VFD-Röhre nicht ratsam ist.

Die wichtige Frage, ob sich eine VFD-Röhre als Röhrenverstärker verwenden lässt, wird im Folgenden näher dargestellt. Es werden Möglichkeiten aufgezeigt, eine VFD-Röhre in einer Verstärkerschaltung einzusetzen.

Zunächst wird eine Verwendung mit einer Verstärkerstufe aufgezeigt.

Die folgende Skizze zeigt die prinzipielle Schaltung einer Verstärkerstufe mit einer VFD-Röhre, im Folgenden als VFD-Triode bezeichnet. Zur Vereinfachung eines Nachbaus, wurde die Darstellung mit Sockelschaltbild gewählt.

 

                        Bild 14: Einstufige Verstärkerschaltung für VFD-Triode LD8051

Erläuterungen zu den Kurzbezeichnungen im Schaltbild:

Ua       Betriebsspannung (Anodenspannung), Ua~     Ausgangs-Wechselspannung

Uf        Heizspannung, Ug       Gitterspannung, Ue~     Eingangs-Wechselspannung

Gnd     Ground – gemeinsamer Bezugspunkt, Ra        Anodenwiderstand

Rg        Gitterwiderstand, Ce        Eingang-Kondensator, Ca        Ausgangs-Kondensator

 

Die elektrischen Anschlußdaten:

Heizer: 1,2V;  60mA, ohne Begrenzungswiderstand Rf.

Bei z.B. 5 Volt Betriebsspannung soll der Widerstand Rf = 3,8V / 60 mA = ca. 63 Ohm betragen.

Der nächste Normwert wäre 62 Ohm.  Wenn man den Widerstandswert 56 Ohm oder 68 Ohm wählt, ist das für den Betrieb auch ok. Die Leistung des Widerstands sollte mind. 1/2Watt betragen.

Anode:

Die Betriebsspannung der Anode kann zwischen 10 und 30 Volt betragen. Je höher die Betriebsspannung für die Anode gewählt wird, je größer ist die erreichbare Verstärkung. Auch die Höhe der Eingangswechselspannung kann dann größer sein, bis die Verstärker-Stufe voll ausgesteuert ist. Der Widerstandswert Ra kann an die Verwendung angepasst werden. Zum Erreichen einer möglichst hohen Verstärkung ist ein großer Widerstandswert vorteilhaft, wie die späteren detaillierten Daten dies aufzeigen.

Gitter:

Die Gitterspannung muss auf jeden Fall positiv sein. Sinnvoll ist sie einstellbar zu gestalten, um den Arbeitspunkt der Verstärkerstufe einstellen zu können. Ein optimaler Arbeitspunkt für den Betrieb ist, wenn die Spannung an der Anode ca. die Hälfte der Betriebsspannung Ua hat.

 

                                         Bild 15: Praktische Schaltung mit der LD8051

 

Die obige Schaltung ist ein Beispiel, wie im Prinzip eine Verstärkerstufe geschaltet werden kann. Bedingt durch den niedrigen Anodenstrom und den dadurch notwendigen Anodenwiderstand von 500k Ohm ist der Ausgangswiderstand entsprechend hochohmig.

Wenn man niedrigere Anodenwiderstände wählt, reduziert sich die Verstärkung. In einer folgenden Tabelle sind verschieden ausgelegte Verstärkerstufen mit verschiedenen Anodenwiderständen aufgelistet.

Ein weiterer Nachteil der Verstärkerstufe ist der niedrige Eingangswiderstand. In der Testschaltung spielt dies keine Rolle, weil die Wechselspannungsquelle des Test-Generators niederohmig ist. In einer praktischen und evtl. mehrstufigen Schaltung ist dies aber unbedingt zu beachten und muss durch entsprechende Maßnahmen kompensiert werden, weil sich sonst dadurch Verluste im Verstärkungsfaktor der Röhrenstufen ergeben.

Eine einfache Möglichkeit besteht im Vorschalten bzw. Nachschalten eines Emitterfolgers in Halbleitertechnik, die hier bewährt ist. Das folgende Beispiel zeigt eine praktische Lösung:

            Bild 16: Praktische Schaltung mit der LD8051 und mit Emitterfolger am Eingang

 

Ob ein NPN-Transistor wie z.B. ein Typ BC171 etc. oder ein N-Kanal-Feldeffekt-Transistor wie z.B. ein Typ BF245 verwendet wird, ist für diesen Zweck nicht entscheidend.

Bereits bei diesem Beispiel taucht die Frage auf, warum soll eine Röhrenschaltung mit einer Halbleiterschaltung kombiniert werden? Da kann ich doch gleich eine Halbleiterschaltung als Verstärker nehmen.

Die Begründung ist einfach. Diese Vorschläge sind für Liebhaber von Röhrenschaltungen von Interesse. Die Verstärkung erfolgt durch die Röhrenstufe. Der Emitterfolger in Halbleitertechnik realisiert einen hochohmigen Eingang, ist aber an der eigentlichen Verstärkung nicht beteiligt.

Dies ist für einen Liebhaber eines Röhrensounds von entscheidender Bedeutung.

Von besonderer Wichtigkeit ist auch die Tatsache, dass es sich um eine besondere Art der Röhrenverstärkung handelt, die so bisher nicht verwendet wurde und evtl. neue Soundergebnisse produzieren kann.

Die folgende Tabelle zeigt den Einfluss des Anodenwiderstands auf den Verstärkungsfaktor der Schaltung. Lediglich die Spannung am Ug Eingang wird nach Wechsel des Widerstands wieder so eingestellt, dass sich ca. die halbe Betriebsspannung an der Anode eingestellt ist. Die Erhöhung des Anodenwiderstands auf 1M bringt noch etwas Verstärkung aber insgesamt wird die Schaltung zu hochohmig. Nach meinem Empfinden ist ein 500k Anodenwiderstand ein guter Kompromiss, zumal sich das auch bei zwei oder mehrstufiger Auslegung  positiv auswirkt. Die Verstärkungswerte sind exemplarisch an einem Muster gemessen und sollen in etwa die Größenordnung der zu erwartenden Verstärkung aufzeigen.

 

Der folgende Test soll den Frequenzgang des einstufigen Verstärkers darstellen.

Dazu wird die Höhe der Eingangswechselspannung konstant gehalten und die Frequenz der Eingangswechselspannung variiert. Die Höhe der Ausgangsspannung in Abhängigkeit der Frequenz ist dargestellt. Die folgende Grafik zeigt das Ergebnis:

               Bild 17: Frequenzgang einer Verstärkerstufe mit der VFD-Triode LD8051

Der Frequenzgang zeigt eine Schwäche der VFD-Triode. Die Verstärkung nimmt oberhalb von 5 kHz stark ab. Damit ist eine Verwendung als Verstärker für Hi-Fi-Anwendungen nicht optimal geeignet. Der geringfügige Verstärkungsverlust unterhalb 200 Hz kommt durch den verwendeten Koppelkondensator von 0,1 Mikrofarad. Bei Verwendung eines Kondensators von z.B. 10 Mikrofarad ist diese leichte Abfall dann unter 10 Hz, und die Schaltung wäre dann auch geeignet um Basstöne eines Elektrobasses zu verstärken.

 

Mehrstufige Verstärkung

Soll der Verstärker zwei- oder mehrstufig ausgeführt werden, wird mit den bisherigen Informationen klar, das zwischen dem hochohmigen Ausgang der ersten Verstärkerstufe und dem niederohmigen Eingang der zweiten Stufe wieder ein Emitterfolger notwendig wird.

Die folgende Skizze zeigt die prinzipielle Schaltung eines zweistufigen-Verstärkers mit VFD-Trioden.

                      Bild 18: Prinzip eines zweistufigen-Verstärkers mit der VFD-Triode LD8051

 

Zur Kopplung von zwei Verstärkerstufen mit VFD-Trioden sind drei Halbleiter-Bauelemente notwendig, die zur Kopplung von niederohmigen Eingängen mit hochohmigen Ausgängen erforderlich sind. Im obigen Beispiel sind das T1 und 2 mal T2. Koppelt man die Röhren-Verstärker-Stufen ohne diese Impedanz-Anpassungen, reduziert sich der Verstärkungsfaktor der Verstärkerstufen dramatisch!

 

Hinweise für eine Verwendung der VDF-Trioden in Verbindung mit Gitarren-Verstärkern

Soll dieser zweistufige Verstärker z.B. als Vorstufe für einen Gitarrenverstärker verwendet werden, so kann eine  Lautstärkeeinstellung schon nach der ersten VFD-Verstärkerstufe sinnvoll sein, sozusagen als Gain-Einsteller. In der ersten Verstärkerstufe findet noch keine Übersteuerung eines Gitarrensignals statt, wenn am Eingang die Gitarre ohne Zusatzgeräte angeschlossen wird.

Weiterhin ist es zweckmäßig, zwischen der ersten und der zweiten Verstärkerstufe eine Klangregelschaltung einzufügen.

Soll eine Verzerrung eines Gitarrensignals erfolgen, so ist es sinnvoll, nach der zweiten Verstärkerstufe eine dritte Verstärkerstufe zu schalten, damit man sicher eine Verzerrung des Gitarrensignals erreicht.

Mit dem Gain-Regler nach der ersten Verstärkerstufe kann dann der Verzerrungsgrad eingestellt werden. Beispiel einer Schaltung mit drei VFD-Trioden, Typ LD8051.

Bild 19: Beispiel - Dreistufiger Vorverstärker mit Klangregelung für Gitarrenverstärker

 

Zusammenfassung:

VFD-Display-Röhren lassen sich prinzipiell ähnlich wie Elektronenröhren zur Verstärkung von elektrischen Spannungen verwenden. Bedingt durch den unterschiedlichen inneren Aufbau der Elektroden, sind bei Verwendung der VFD’s als Verstärkerbauelement einige Besonderheiten zu berücksichtigen, wie dies im Beitrag dargelegt ist.

Man kann davon ausgehen, dass auch andere VFD-Display-Röhren wie die hier dargestellte Type LD8051 sich ähnlich für Verstärkungszwecke verwenden lassen.

Der Beitrag zeigt, wir man prinzipiell eine VFD-Display-Röhre als Verstärkerröhre verwenden kann.

 

Literaturhinweise

 

1) Japan - What's up front counts, Electronics May 29, 1967, p. 212-213  

2) Patent US3508101, Character Indicating Electron Tube, Ise Electronics Corp., Japan

3) LD8051 Datenblatt        

    

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

Vielen Dank für die ausführliche Erläuterung der Eigenschaften von VFDs und ihrer Anwendung als Röhren.

Man kann den Kreislauf vom Röhrenbetrieb zurück zum digitalen Betrieb schließen.

Siehe 100 % digitaler Phasenschieber-Oszillator 

MfG,
Joe

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