Liebe Forumsmitglieder, Besucher,

ein schon lange anstehendes Thema war für mich die Frage, warum es heute nur wenige Verstärker mit PPP-Endstufe gibt, zumindest kaum echte Neukonstruktionen.

Aus diesem Grund habe ich mich eingehend mit der Schaltungstechnik dazu beschäftigt, nicht zuletzt, weil sich hier bei mir auch ein beeindruckender Vertreter dieser Geräteklasse, der MEL Pic-35 (Id297240) (Fotos unten) befindet. Ich wünsche allen, die die Ergebnisse meiner Recherchen lesen, gute Unterhaltung.
Mein Dank geht ausserdem an die RM-Mitglieder Oswald Bettendorf und Ake Nyholm, die mich mit wichtigen Informationen versorgt haben.

Abbildung MEL Pic-35 Ansicht mit Gehäuse
Abbildung MEL Pic-35 Ansicht ohne Gehäuse, mit Abdeckblech und Hitzeschild.
Beeindruckend die Übertragergrösse SM102b für eine Ausgangsleistung von 35W (gleiches Format wie der Netztrafo)Dieses Gerät hatte ich jahrelang genutzt, bevor ich begann, zunehmend mehr Musik in Mehrkanaltechnik (SACD) zu hören, wofür der Pic-35 allein nicht mehr ausreichte.

Abbildung unten:
MEL Pic-35 Werbung der Firma Lange + Klein in der “Hifi-Stereophonie“ September 1965

Das Gerät hat anstatt der 17 Röhren wie in der Werbung tatsächlich insgesamt 18 Röhren.
Ob der UKW Empfänger MAT-10 jemals in Produktion ging, ist mir nicht bekannt.

Da in früheren Artikeln [1-6, 8, 9] und in Prospekten die PPP-Technik immer wieder ob ihrer guten Eigenschaften hochgelobt wurde, wunderte mich umso mehr, warum diese Variante in heutigen Neukonstruktionen namhafter Hersteller nicht verbreiteter zum Einsatz kommt.

Im Verlauf meiner Recherchen bin ich auf überraschende Details zur PPP-Technik gestossen, die von vielen Autoren veröffentlichter Schaltungen bzw. Bauanleitungen nirgendwo erwähnt wurden, dennoch aber von grösster Wichtigkeit für einen sicheren Betrieb dieser Verstärker sind.

Aber zunächst noch einmal kurz, was ist PPP?

PPP ist die Abkürzung für “Push-Pull Parallel“, was schlicht die prinzipielle Anordnung der Endröhren in einem Verstärker beschreibt. Auch wurde der Name “Circlotron“ dafür verwendet.

PPP enthält in der Ausgangsstufe ein Paar Kathodenfolger anstatt der weithin verbreiteten Anodenfolger (Prinzipschaltung rechts).

Die wesentlichsten Unterschiede in dieser Anordnung sind:

• Der Anpassungswiderstand der Endstufe sinkt auf etwa 1/4 des Widerstands von Anodenfolgern (siehe dazu auch Anhang 6)

• Die Röhren arbeiten wechselspannungsmässig gegenparallel.

Warum ausgerechnet PPP?

Vorteile:

1. Wegen der inherenten Gegenkopplung der Kathodenfolger-Endstufe ist der Klirrfaktor bereits ohne Gegenkopplung relativ klein.

2. Der Dämpfungsfaktor ist wegen der starken Gegenkopplung bei den Endröhren relativ hoch,
   damit ist die Auswahl passender Lautsprecher weniger kritisch.

3. Die Treiber für die Endröhren müssen nicht gegen eine niederohmige Lastimpedanz arbeiten, die Eingangsimpedanz der Endstufe ist deutlich höher als wie bei Endstufen mit Anodenfolgern, auch die Lastkapazität ist kleiner (siehe auch Anhang 3).

4. Wegen der mit der Ausgangsspannung mitlaufenden Kathoden der Endröhren müssen die erforderlichen Gitterwechselspannungen vor allem bei Endpentoden nur wenig Gitter-Kathoden Kapazität überwinden, das erweitert die nutzbare Bandbreite (siehe Anhang 3).

5. Die Übersetzung im Ausgangsübertrager (AÜ) kann deutlich kleiner gewählt werden.

6. Die Anzahl Windungen der Primärwicklung reduziert sich auf weniger als die Hälfte im Vergleich zu anodenseitigen Übertragern.

7. Die Verluste im Übertrager sind aus zuvor genanntem Grund geringer und können durch mögliche grössere Drahtquerschnitte weiter reduziert werden.

8. Die parasitären Kapazitäten und die Streuinduktivität reduzieren sich wegen geringerer Windungszahl deutlich, was die Übertragungsbandbreite ebenfalls vergrössert.

9. Die Ausgangswicklung kann wie bei einem Spartransformator gestaltet werden*.

10. Die Wicklung kann in einem Durchgang gefertigt werden, wobei die Sekundärwicklung
    automatisch innerhalb der Primärwicklung zu liegen kommt**.

11. Der erforderliche Wicklungsraum im AÜ ist deutlich kleiner als bei Anodenfolgern.

12. Die Anforderungen an die Isolation zwischen den Teilwicklungen sind relativ gering.

13. Die Brummspannung ist bei korrekter Verdrahtung sehr gering, daher ist Einweg-
    gleichrichtung bei der Stromversorgung bereits ausreichend.

14. Der Ausgangsübertrager ist weniger empfindlich gegen magnetische 50Hz-Einstreuungen im
    Vergleich zu anodengekoppelten Versionen

15. Ein zusätzlicher 100V-Ausgang ist bei PPP Übertragern relativ einfach realisierbar.

    Die Punkte 3), 4), 8) sorgen für einen wesentlich besseren Frequenzgang, speziell am oberen Ende, Bandbreiten bis 100kHz sind durchaus machbar.
    * und ** : hier ist dennoch ein etwas komplizierterer Aufbau zu bevorzugen, siehe Anhang 5

Nachteile:

1. Die Anzahl Stromversorgungen beträgt zwei im Gegensatz zur Endstufe mit Anodenfolgern (pro Gegentakt-Seite 1 Versorgung), der Nachteil wird aber durch den deutlich geringeren Aufwand beim Ausgangsübertrager kompensiert.

2. Es wird eine etwas höhere Anodenspannung als wie beim Anodenfolger-AÜ benötigt, diese liegt aber nur an den Anoden der End- bzw Treiberröhren, an den Anschlüssen des Ausgangsübertragers liegt dafür nur die primärseitige Nf-Spannung, die OHNE Nf-Eingangs-signal praktisch gleich 0 ist.

3. Die Kommutierung der Gleichrichterdioden im Netzteil führt zu Störungen, das wird teilweise berichtet (Sperrschichtkapazität verzögert Stromabriss bei Polaritätsumkehr), aber durch Auswahl von a) Röhrengleichrichtern oder b) Ultraschnelle Gleichrichter (z.B. UF4007 statt 1N4007) können diese minimiert werden. Die Entstörung wurde auch durch kleine Kapazitäten parallel zu den Gleichrichterdioden und parallel zu den Ladekondensatoren erreicht.

4. Die Endstufen benötigen für Vollaussteuerung eine relativ hohe Nf-Amplitude (Primärseitige Ausgangsspannung plus Röhren-Steuerspannung für Vollaussteuerung), was nicht mit beliebigen Schaltungstechniken erreichbar ist.

5. Die Gitterwiderstände der Endröhren müssen je nach Schaltungstechnik relativ hochohmig ausgelegt werden, was zum thermischen Abdriften führen kann.

6. Was zunächst als Vorteil unter Punkt 5-6 zur Sprache kam, hat leider auch gleichzeitig einen Nachteil: die Primärinduktivität des kathodenseitigen AÜ ist deutlich kleiner als die eines anodenseitigen AÜ, was ebenso wie der nachfolgende Punkt zu Problemen führen kann.

7. Die Vorstufen zur Endstufe müssen vollkommen symmetrisch ausgelegt sein, dazu weiter unten mehr.

Geschichte des PPP-Verstärkers (soweit Daten zur Verfügung standen, daher ohne Anspruch auf 100%ige Vollständigkeit)

1951:
C. T. Hall reichte im Juni 1951 ein Patent mit der Nummer US2705265 ein.
Darin wird eine Endstufe mit Kathodenfolgern beschrieben, wobei jede der beiden Endröhren ihre eigene Stromversorgung hat (B1, B2) und die Anodenspannung der Treiberröhre jeweils aus Primär-Ausgangsspannung der gleichen Phasenlage plus Anodenspannung der gegenüberliegenden Endröhre (an RL5 bzw. RL6 anliegend) gewonnen wird, was einem leichten regenerativen (positiven) Feedback entspricht.
Bemerkenswert ist, dass mit fester negativer Gitter Vorspannung der Endröhren gearbeitet wurde. Ein negatives Feedback war nicht explizit erwähnt, da ja bereits die als Kathodenfolger geschalteten Endröhren über inherentes negatives Feedback verfügten. Erteilt wurde das Patent im März 1955.
Ungünstig ist der Bezug der negativen Gittervorspannung auf Masse, was zu einem unnötig niedrigen Eingangswiderstand der Endstufe führt.
Ebenfalls bemerkenswert ist der Umstand dass in diesem sowie in den meisten nachfolgenden Patenten nur die Endstufe (mit Treiber) selbst beschrieben wurde, nicht aber der gesamte Aufbau mit Vorstufe, insbesondere nicht die Gewinnung der gegenphasigen Steuersignale.

1952:
Das finnische Magazin "Radio" brachte im Juni einen Schaltungsvorschlag für eine PPP- Endstufe, die mit zwei wechselspannungsmässig parallel geschalteten Endröhren und einem Übertrager für die Gitteransteuerung der Endröhren ausgestattet war. Vorteil dieser Anordnung war der relativ gesehen kleinere Steuerspannungsbedarf der Endröhren, allerdings zum Preis eines extra Zwischen-übertragers.

Der Ent- wickler, Matti Köykkä Tapio (links) reichte die Schaltung in Finnland im September 1952 als Patent ein, welches im November 1954 unter FI27332A erteilt wurde (Anm.: anscheinend der älteste Patent-Eintrag). Ein weiteres von mehreren folgenden Patenten wurde 1955 eingereicht, aber erst unter FI29642A am 10.04.1958 veröffentlicht. 1959 wurde Patent FI33483 eingereicht und 1964 erteilt. Noch 1976 wurde Patent FI762408 eingereicht und 1978 erteilt. In DEPATISNET sind die Patente nicht mit ihrem Inhalt veröffentlicht worden, unter dem Namen Köykkä oder Köykkae oder Koeykkae sind weitere Patenteinträge zu finden, was die Recherche nicht gerade vereinfacht. Weiteres dazu in Anhang 7.

1953:
In der Funk-Technik Ausgabe 7 auf Seite 220 [27] erschien eine erste praktische Schaltung von Köykkä unter Verwendung von Röhren der 40er Serie. Bei Vollausssteuerung waren damit 10W erreichbar.

Die Schaltung zeigt eine Verbindung einer Seite der Primärwicklung mit dem Minuspol der Eingangsröhre und der Masse des Eingangs, da der Ausgangsübertrager über keine Mittenan-zapfung verfügt. Der Verfasser beschreibt die mögliche Verwendung eines Ausgangsüber-tragers in Spar- schaltung.
Die Vorstufe ist alles andere als symmetrisch aufgebaut. Der bei 1kHz niedrige Klirrfaktor (<1%) nimmt leider deutlich mit steigender Frequenz zu, wie sich in einer Simulation (unter Verwendung einer EF86 und ½ ECC83) zeigte.
Dennoch handelt es sich m.E. um eine beachtliche Konstruktion für die damalige Zeit. In der “Audio Engineering“ vom Mai 1951 [25] wurden die damals in den USA bekannten Möglichkeiten zur Realisierung einer Gegentakt-Endstufe beschrieben, jedoch kein einziger Vorschlag mit reinen Kathodenfolgern in der Endstufe gezeigt.

1954:
In den USA lässt sich A. M. Wiggins, Mitarbeiter von Electro-Voice eine PPP-Schaltung patentrechtlich (US2828369) schützen. Erteilt wurde das Patent im März 1958.

Die Schaltung zeigt eine Anordnung der End-stufenröhren wie viele nachfolgende Schal-tungen, jedoch wie schon im Patent von C.T. Hall mit einer festen (negativen) Vorspannung.

Sie enthielt als Vorverstärker einen Anodenfolger gefolgt von einer Katodynschaltung die die so erzeugten, gegenphasigen Signale einer Differenzverstärkerstufe mit gemeinsamem Kathodenwiderstand (hier noch ohne Parallel-Kondensator) als Endstufentreiber zuführte. Der Ausgang war mit einer getrennten Sekundärwicklung versehen, was grundsätzlich nicht notwendig war, aber wahrscheinlich zu einem besseren Verhalten bei tiefsten Frequenzen führen sollte (DC-Entkopplung).

Electro-Voice baute mit dieser Schaltung viele Modelle unterschiedlicher Leistung wie z.B. den A15 (15W) oder den A30 (30W), alle mit der gleichen Schaltungstechnik.

Von Electro-Voice produzierte Modelle (nur PPP-Modelle, nicht alle Varianten) :
 

Modell	Ausgangs- Leistung	Ausgangs- Röhren	Ausgangsübertrager Primärimpedanz
A15 (Id=230893)	15 Watt	2 x EL84	2 kΩ CT
A20 (Id=98545)	20 Watt	2 x 6V6	2 kΩ CT
A20C Integrated Preamp (Id=123260)	20 Watt	2 x 6V6	2 kΩ CT
A30 (early production) (Id=123261)	30 Watt	2 x 6BG6	1 kΩ CT
A30 (late production)	30 Watt	2 x 1614	1.6 kΩ CT
A50 (Id=98546)	50 Watt	2 x 6550	1.2 kΩ CT
A100 (early production) (Id=135794)	100 Watt	4 x 6550	600 Ω CT
A100 (late production)	100 Watt	2 x 6550	600 Ω CT

1955:
Im Radio-Magazin [1] wurde von R. J. de Cneudt in Belgien eine Schaltung eines Verstärkers nach dem PPP-Prinzip vorgestellt.
In dieser Schaltung diente bereits eine symmetrisch aufgebaute Differenzver-stärkerstufe zur An- steuerung der Endröhren.
Die Schaltung ist sehr einfach aufgebaut und kommt neben den beiden Endröhren mit einer einzigen Triode ECC83 aus.
Hierbei wurde die Schirmgitter Versorgungs-spannung der jeweils gegenüber liegenden (Gegentakt-) Endröhre als Anodenspannung der Differenzverstärkerstufe genutzt.

Der Vorteil dabei: Die Anodenspannung wandert mit dem Steuerspannungsbedarf der jeweiligen Endröhre mit, was in der Fachliteratur auch als “Bootstrapping“ bezeichnet wird.
Dadurch "sieht" die jeweilige Differenzverstärker Triode einen virtuell grösseren Anodenwiderstand (arbeitet also mit einem etwas konstanteren Anodenstrom), was die resultierende Verstärkung erhöht.
Ausserdem repräsentiert die jeweils als Kathodenfolger geschaltete Endröhre wegen der Mitkopplung im Gitterkreis eine sehr geringe Last für die treibende Differenzverstärkerstufe (s. auch Anhang 3).

Die gegenphasige Ansteuerung der unteren Hälfte des Differenzverstärkers wird schlicht aus der Schirmgitterspannung der "gegenüberliegenden" Endröhre gewonnen, (entspricht der Primär-spannung am Ausgangsübertrager) was die Verstärkung nochmals verdoppelt, allerdings zum Preis einer Rückwirkung der Ausgangslast auf diese Spannung. Daher wäre eine Gegenkopplung vom Ausgang für diese Stufe wahrscheinlich sinnvoll, diese müsste aber wiederum symmetrisch (beidseitig) auf die Differenzverstärkerstufe erfolgen, um weitere Verzerrungen zu verhindern.

Wegen der fehlenden Gegenkopplung war mit dieser Technik mit etwas höheren Verzerrungen zu rechnen, die aber wegen der inherenten Gegenkopplung der Endröhren immer noch deutlich unter derjenigen von Endstufen mit Anodenfolgern lagen und für jene Zeit als "HiFi" eingeordnet wurden.
Dafür war nur eine geringe Neigung zur Selbsterregung bei tiefsten Frequenzen vorhanden, hauptsächlich wegen des fehlenden negativen Feedbacks.

Eine Auflistung der technischen Daten dieser Endstufe aus dem Hifi-Schaltungs- und Baubuch von Fritz Kühne [2] zeigt das.

Eingangsempfindlichkeit	2V
Ausgangsleistung	30 Hz = 16 W; 50 Hz = 20 W 1 kHz = 20,6 W; 20 kHz = 16W
Frequenzbereich	20 Hz ...50 kHz (-1,5 dB bei 100 kHz; -6 dB bei 200 kHz)
Klirrfaktor	< 0,5% bei 1 kHz/20 W
Intermodulation	7000 Hz + 50 Hz = 2%; 3000 Hz + 50 Hz = 1,3% bei Vollaussteuerung

1957:
In der "Funkschau" vom Februar [3] wurde ebenfalls von Fritz Kühne eine Schaltung einer PPP-Endstufe vorgestellt, dabei wurden Teile des von de Cneudt vorgestellten Prinzips übernommen.Der wichtigste Unterschied zur vorhergehenden Veröffentlichung von de Cneudt war die Einführung einer Rückkopplung, wofür zusätzlich zur Treiberstufe eine Vorstufe hinzugefügt wurde. Die Vorstufe bestand aus einer Kombination von Anodenfolger mit angehängtem Kathodenfolger als Spannungsverstärker mit niedriger Ausgangsimpedanz.
In [4] wurde das gleiche Konzept mit 2 x EL84 (Id412) statt 2 x EL34 (Id1900) vorgestellt, in [5] folgte ein Bauvorschlag mit kompaktem Gehäuse.
Der spezielle Ausgangsübertrager war ein Modell der Fa. Engel, Wiesbaden, welchen auch die Firma Valvo für ihren Applikationsvorschlag (siehe weiter unten) verwendete.

Der Vorstufenausgang war gleichstrommässig mit dem Eingang des Differenzverstärkers verbunden, der jetzt in der weithin bekannten Anordnung aufgebaut war (zweiter Differenzverstärker-Eingang liegt wechselspannungsmässig an Masse und gleichspannungsmässig am Eingang der anderen Seite).
Die wechselpannungsmässige Erdung des zweiten Differenzverstärker-Eingangs wurde nur mit 1nF Kapazität ausgeführt, was jedoch eher unüblich war.
Der Grund für diese Abweichung vom Standard waren mit Sicherheit Probleme mit einer uner-wünschten niederfrequenten Selbsterregung bei Anwendung der sonst üblichen Kapazitätswerte.
Eine von mir durchgeführte Simulation dieser Schaltung bestätigte das auch eindrücklich:

Bei Anwendung einer ansonsten üblichen Kapazität von 100nF an Stelle des 1nF-Kondensators entsteht ein Phasengang bei niedrigen Frequenzen, der zusammen mit dem Phasengang von Endstufe und Übertrager die Bedingung für Selbsterregung erfüllt.
Einer der wichtigsten Gründe für die 180° Phasendrehung ist u.a. der, dass der Ausgangsübertrager anstelle von mehr als 100Hy, wie bei anodengekoppelten Typen üblich, aufgrund seiner viel niedrigeren Windungszahl auf Induktivitätswerte kommt, die im niedrigen zweistelligen Bereich liegen.

Folge: entweder schwingt sich die Endstufe bereits beim Hochfahren der Betriebsspannung innerhalb von Sekunden auf und kommt dabei kaum mehr zur Ruhe.
oder: wenn die 180°-Bedingung nur knapp erfüllt ist entsteht bei Anregung mit kurzen Impulsen (z.B. Pauke) ein unangenehmer Nachhall (Wummern), gekennzeichnet durch gedämpfte Schwingungen sehr niedriger Frequenz (zwischen 1Hz und 20Hz).

Fritz Kühne versuchte seinerzeit das Problem durch eine radikale Beschneidung des unteren Teils des Frequenzgangs innerhalb der Endstufe zu erreichen, ohne es jedoch im zugehörigen Artikel zu erwähnen.
Zu Hr. Kühne's Entlastung muss gesagt werden, dass man damals noch nicht über die Mittel von heute wie z.B. Simulation oder digitale Messgeräte verfügte. Auch dürfte es mit damaligen Messmitteln schwierig gewesen sein, den Phasengang bei so niedrigen Frequenzen zweifelsfrei zu bestimmen. Im Endeffekt musste Hr. Kühne dem so "beschnittenen" Verstärker ein Filter voranstellen, das den Frequenzgang des Verstärkers wieder "zurechtbog" (Abb. rechts).

Die Erklärung, die Hr. Kühne dafür abgab, war aber letztlich nichts anderes als eine Verschleierung der zuvor beschriebenen Probleme, die anders hätten gelöst werden können.
Die 1960 und 1987 in der Funkschau vorgestellten, weiter unten folgenden Schaltungen sollen dies zeigen.

1956, 1957: Philips baut zwei PPP-Verstärker ohne Ausgangsübertrager AG9006 (Id100880), AG9007 (Id111151), für die extra spezielle hochohmige Lautsprecher mit 1200 Ω Impedanz gebaut und angeboten wurden.

Die Treiberröhren waren, ähnlich wie im später produzierten MEL Pic-35 (Id297240) zwei als Pentoden geschaltete EF86, allerdings mit einem gemeinsamem, nicht kapazitiv überbrücktem Kathodenwiderstand von 820 Ω, vermutlich um die Symmetrie zu verbessern.
Die Endstufenröhren erhielten eine feste negative Gittervorspannung. Wegen des fehlenden AÜ mit seinem zusätzlichen Phasengang dürfte diese Schaltung, im Gegensatz zu Anderen, bei tiefen Frequenzen deutlich stabiler gearbeitet haben

Jedoch fanden die hochohmigen Lautsprecher langfristig keine Nachahmer auf dem Markt.

1957-1960:
Die belgische Firma Carad bringt mehrere PPP-Verstärker heraus, einmal mit EL84 (AAS26 (Id109315) , PAS29 (Id109312)), ein anderes mal mit EL34 (AS16(ID208286), MPAS08 (Id205631)) in der Endstufe. Die Endröhren wurden in AB-Schaltung ohne extra negative Gitterspannung betrieben.
Die Phasensplitter-Schaltung beim Modell AS16, ähnlich der in der Funkschau gezeigten Version, dürfte für die gleichen Probleme wie bei der Schaltung von Hr. Kühne gesorgt haben.
Die AAS26 und PAS29 sind mit einer ECC83 in Differenzverstärker-Schaltung ohne Vorstufe aufgebaut. Auch hier ist ein Kondensator (47nF) für den zweiten Differenzverstärker-Eingang an Masse geschaltet. Die Schaltung des MPAS08 ist fast genau die gleiche wie die 1957 in der Funkschau gezeigte (wer hat hier wo abgeschaut?).

1960:
wiederum in der "Funkschau" erschien im September eine Schaltung eines "PPP-Kino-verstärker mit kreuzgekoppelter Vorstufe" [6], vorgestellt von Alfred Zechendorff.
In diesem Artikel wurde ausdrücklich der hohe Qualitätsanspruch solcher Verstärker erwähnt (mindestens HiFi Qualität und zusätzlich hohe Betriebssicherheit).Ebenfalls erwähnt wurde der Begriff "Circlotron" für diese Art von Verstärker, entnommen aus der amerikanischen Fachliteratur.
Dem Funkschau-Artikel nach fertigte zu dieser Zeit auch Electro-Voice Verstärker der Bauart PPP (siehe weiter oben). Auch wurde der Begriff "Wiggins Schaltung" nach ihrem wahrscheinlichen Erfinder in den USA für diese Bauart angewandt.
Die gezeigte Schaltung enthielt im Gegensatz zur 1957 vorgestellten Funkschau Schaltung eine vollständig symmetrisch aufgebaute, hier speziell kreuzgekoppelte Vorstufe [7], die für eine höhere Verstärkung sorgen sollte. Der Frequenzgang der Vorstufe sollte “Electronics“ zufolge bis 60kHz reichen.
Die in der "Electronics" bereits 1950 vorgestellte Vorstufe [7] war, hier besonders vorteilhaft, schon als DC-Verstärker ausgelegt.
Im Gegensatz zu vielen anderen Schaltungen wurde bei Zechendorff das negative Feedback zweifach, d.h. in gegenphasiger Ausführung angewandt, was die innere Stabilität verbessern sollte
Die Endröhren waren wie bei der Schaltung von de Cneudt oder der von Hr. Kühne angeordnet und arbeiteten ebenfalls in Betriebsart AB. Neben EL34 konnten auch 6550 als Endröhren verwendet werden. Ausserdem war hier der Ausgang wieder als Spartransformator ausgelegt.
Der Endstufentreiber wurde mit zwei einfachen, vergleichsweise niederohmigen Anodenfolgern (ECC82/12BH7) realisiert, also ohne Differenzverstärkerstufe, was aufgrund der Symmetrie und hohen Verstärkung der kreuzgekoppelten Vorstufe möglich war.
In einer Simulation dieser Schaltung zeigte sich allerdings, dass der Klirrfaktor höher als erwartet ausfällt. Grund dafür dürfte die Dimensionierung der kreuzgekoppelten Stufe sein. Die in der Simulation gemessene Anodenspannung der ECC83 ist mit 48V (Mittelwert) viel zu niedrig für eine Operation im linearen Teil der Kennlinie. Hier wurden entweder Konstruktionsfehler oder bewusst falsche Angaben gemacht, um einen erfolgreichen Nachbau zu verhindern. Bei der von “Electronics“ vorgestellten Schaltung ging es in erster Linie um eine hohe Verstärkung, der Klirrfaktor war wohl eher von untergeordneter Bedeutung, da er nicht einmal erwähnt wurde.
Bemerkenswert: Die Neigung zu "Nachschwingungen" (in der Simulation) bei einem Einzelimpuls am Eingang ist geringer als bei allen anderen weiter oben beschriebenen Konzepten mit Spartrafo im Ausgang.

1960:
Die finnische Firma Voima bringt das Modell W 30-K Id259300 heraus. Es basiert auf einem weiteren, 1958 von Matti Köykkae Tapio eingereichten Patent (FI29642), das viele Ähnlichkeiten mit zuvor erwähnten Schaltungen zeigt.
Etwa zur gleichen Zeit bringt Voima auch den High-Fidelity Amplifier K40-2 heraus (Id234091) der einen Unterschied zu den bisherigen Schaltungen hat: als Treiber wird die ECC85 verwendet, wohl wegen ihres etwas niedrigeren Innenwiderstands und der 3 x kleineren Anodenkapazität Ca von nur 0.45pF. Ausserdem wurden Brückengleichrichter im Netzteil verwendet.
Die stärkeren Modelle von Voima R100 und R-200 W hatten zusätzlich noch eine gleitende Arbeitspunktregelung (“D/D-Betrieb“, wie auch in [20] beschrieben), beim R100 mit einer extra ECC85, beim R-200 W mit Hilfe eines Transistors. Dabei wurde die negative Vorspannung automatisch mit steigender Ausgangsleistung zunehmend grösser geregelt.

1961:
Die Firma Valvo bringt im November im "Valvo Brief" No. 5 eine Applikationsschaltung "35W PPP Verstärker mit 2 x EL34" [8] für die Röhren ECC83 (Id411), EL34 (Id1900) und EM87 (Id2012) als Aussteuerungsanzeige heraus.Die hier gezeigte Schaltung verzichtet in der Vorstufe, im Gegensatz zu der 1957 von Fritz Kühne gezeigten, auf den Impedanzwandler zwischen Anodenfolger und Differenzverstärker und schaltet die Anode der ersten Röhre direkt an den Eingang des Differenzverstärkers.
Die Gitterwiderstände der Endröhren haben 560kΩ, was das maximal erlaubte für EL34 Gitterableitwiderstände ist. Die Anodenwiderstände der Treiberröhre ECC83 sind 180kΩ gross.
R11 sorgt für eine Anpassung der Ausgangsspannung der beiden Treiber-Hälften zueinander, bei zu grossen Unterschieden in der Treiber-Ausgangsspannung steigt ansonsten der Klirrfaktor an.
Für die wechselspannungsmässige Erdung des zweiten Differenzverstärkereingangs wird hier ein 0.47uF Kondensator vorgesehen, leider auch zu klein. Ausserdem ist auch hier keine exakt symmetrische Ansteuerung der Endröhren gegeben.
Diese Schaltung ist sogar noch anfälliger für niederfrequente Selbsterregung als die von der "Funkschau" vorgestellte.
Hierzu wurde von mir eine Simulation durchgeführt, jedoch ohne die Aussteuerungs-anzeige.
Die Ergebnisse der Simulation sind unter “Problemlösung ?“ weiter unten beschrieben.

1964/1965:
Die Firma Messtechnik und Elektronik (MEL), Lange & Klein in Waiblingen (BW) beginnt mit der Produktion ihres High-End Verstärkers Pic-35 (Id297240), einer Konstruktion nach Art der Geräte von Klein+Hummel, jedoch mit zahlreichen zusätzlichen Extras und einer PPP-Endstufe.
Der MEL Pic-35 wurde in der “Hifi-Stereophonie“ 11/1964 [29] erstmals vorgestellt und im gleichen Magazin erschien 12/1965 [30] ein ausführlicher Testbericht dazu.

Abbildung unten: Endstufe MEL Pic-35 (1 Kanal von 2)Die Endstufe dieses Verstärkers unterscheidet sich durch Anwendung von EF86 (Id8371) als Treiberröhren von den anderen Schaltungen, hat aber wegen der Phasenumkehrröhre (Kathodyn- Stufe) eine Gemeinsamkeit mit dem Electro-Voice Gerät. Lediglich die Endröhren EL34 sind wieder wie bei Funkschau oder de Cneudt geschaltet, jedoch mit deutlich grösseren Bypass Kondensatoren an den Kathoden (C511, C512 = 500uF). Wegen der Endstufentreiber (2 x EF86 pro Endstufe) und wegen einiger anderer Extras kommt das Gerät auf die stattliche Zahl von 18 Röhren. Alle verwendeten Bauteile waren mit 1% für die damalige Zeit relativ eng toleriert, nicht zuletzt, um die erforderliche Symmetrie in der Endstufe möglichst sicher zu halten. Die Ausgangsübertrager sind kräftig dimensionierte Schnittbandkerne aus kornorientierter Spezial-legierung, mit vergleichsweise hoher Anfangspermeabilität.
Vielleicht wegen des hohen materiellen Aufwands und des damit verbundenen hohen Verkaufs-preises (DM 2240,- war 1965 viel Geld) oder vielleicht auch wegen der Stabilitätsprobleme bei sehr tiefen Frequenzen konnte MEL nur etwa 60 Geräte produzieren, bevor die Firma die Produktion einstellte. Tatsächlich hat die Firma nur vom 01.10.1964 bis zum 31.12.1965 existiert, wie aus der mir vorliegenden Gewerbeabmeldung bekannt wurde.
Leider neigt der Pic-35 ebenfalls zum "Wummern" (aber nur bei voller Lautstärke), Grund dafür ist wie bei Electro-Voice die Verwendung einer Kathodynstufe* zur gegenphasigen Ansteuerung der Treiberröhren. Auch sind die EL34 bei voller Lautstärke schnell überlastet, was sich an rotglühenden Anodenblechen abzeichnet. Da der Ausgangswiderstand einer Kathodyn-Stufe anodenseitig bzw. kathodenseitig nicht genau gleich gross ist, ist die Grundbedingung für eine exakt symmetrische Ansteuerung der Endröhren nicht mehr erfüllt, was sich hier aber nicht so schädlich wie bei Electro-Voice auswirkt, da die EF86 als Pentoden geschaltet sind, was die Anodenrückwirkung auf die Eingangskapazität klein hält. Abgesehen von o.g. Problem bei hoher Lautstärke ist der MEL Pic-35 ansonsten ein hervorragend verarbeitetes Gerät.
* Siehe Anhang 1

1967:
In der Funkschau Heft 24 [17] wird von Dipl. Ing. Wulf Alex noch einmal das Thema “PPP“ aufgegriffen, diesmal im Zusammenhang mit der Berechnung von Gegentakt-Ausgangsübertragern.

Hierbei wird der Berechnungsweg von Anfang an aufgezeigt und mit praktischen Beispielen für einen PPP-Übertrager ergänzt, wobei Werte für Leistungen von 15W (2 x EL84) über 20Watt (2 x EL34) bis 40Watt (2 x EL503 Id=3461) und für 3 verschiedene untere Frequenzen (40Hz, 20Hz, 10Hz) in einer Tabelle dargestellt sind. w_ges steht dabei für die Gesamt-Primärwindungszahl, w_16Ω steht für die Windungszahl der 16 Ω Ausgangswicklung. Bemerkenswert: Trotz des Hinweises auf den bereits bekannten “20-W-PPP-Verstärker mit zwei Röhren EL34“ kommt Hr. Wulf Alex mit seinen Berechnungen (Tabelle rechts) auf einen anderen Kerntyp für diesen Verstärker, einen M102a (für fu = 40Hz ) und mit 768 Wdg auch auf deutlich mehr statt der früheren 650Wdg !
Der 1957 von Engel, Wiesbaden angenommene Typ M85a dürfte daher für eine untere Grenzfrequenz von 40Hz gerade noch geeignet gewesen sein. Das deckt sich auch mit den Berechnungsgrundlagen der Fa. Telefunken [18], die anhand der aufgestellten Formeln ebenfalls von einem grösseren Kern ausgehen. Hierin liegt evtl. ein Teil der Ursachen für die bereits beschriebenen Instabilitäten (siehe auch Anhang 5). Abgesehen davon finden sich in den von Wulf Alex aufgestellten Formeln auch noch Fehler, die zu falschen Ergebnissen bei der Berechnung führen.

1967:
Auch mit Transistoren liess sich eine PPP-Endstufe aufbauen. In der Funkschau Heft 2 [21] wird eine PPP-Endstufe mit 2 Endtransistoren 2N3055 beschrieben. Die Endstufe benötigt 2 schwebende Stromversorgungen 24V für die Endtransistoren plus eine 30V Spannung für die Vorstufe. Sie ist für eine Sinusdauerleistung von 15W ausgelegt.Die Vorstufe besteht aus einem einfachen Differenzverstärker der bei 2Vss Eingangsspannung die für die Endstufen nötige Ausgangsspannung von ca. 47Vss generiert. Über die beiden Dioden FD200 wird die erforderliche Basisvorspannung an die in Darlingtonschaltung gekoppelten Endtransistoren gelegt. Der 250Ω Regler sorgt für die Ruhestromsymmetrierung, der 5kΩ Widerstand symmetriert die Signalspannung und der 50kΩ Trimmer ist für die 0-Punkt Einstellung der Vorstufe. Die beiden NTC-Widerstände dienen der Temperaturkompensation. Wenn der Ruhestrom in beiden Endstufenhälften gleich gross ist, heben sich die Brummspannungen der einfachen Netzteile gegeneinander auf. Mit dem Erscheinen leistungsfähiger komplementärer Endtransistoren verlor diese Schaltung an Bedeutung.

1987:
Im Dezember dieses Jahres stellte die "Funkschau" ein Remake des 1957 vorgestellten Verstärkers mit 4 x EL84 (Id=412) statt 2 x EL34 vor [9], allerdings nunmehr mit einem deutlich grösseren 2.2uF-Kondensator (!) zur wechselspannungsmässigen Erdung des zweiten Differenzverstärker-Eingangs.
Ausserdem fehlte jetzt das 1957 von Hr. Kühne angewandte Korrekturnetzwerk für den Frequenzgang am Eingang völlig (anm.: das war ja auch nur eine "Krücke") .
Wegen des geringeren Eingangsspannungsbedarfs der Endröhren im Vegleich zur EL34 konnten die Gitterableitwiderstände mit nunmehr 100kΩ deutlich kleiner gemacht werden.

Grund für die Abkehr von den Überlegungen von 1957 dürfte die Erkenntnis gewesen sein, dass mit deutlich grösseren Kapazitäten die Phasendrehung am unteren Audio-Ende nicht so gross ausfällt, dass daraus wiederum eine Schwingneigung entsteht.
Aus dem gleichen Grund war der Eingangskondensator (220nF) jetzt 11 mal grösser und auch der Koppelkondensator zum Kathodenfolger 2.5 mal so gross wie zuvor (vgl. Schaltung von 1957, weiter oben), was den Phasengang am unteren Ende des Frequenzbereichs etwas verbessert. Leider wurden dazu auch in diesem Artikel keinerlei Ausführungen gemacht.
Auch diese Schaltung wurde in einer Simulation getestet, wobei sich zeigte, dass die Probleme mit dem Phasengang immer noch nicht vollständig beseitigt waren.
Daran ändert auch nichts, dass diese Schaltung nunmehr mit 4 Endröhren EL84 aufgebaut wurde, vermutlich wegen der 1987 besseren Verfügbarkeit.
Für diese Schaltung wurde in der gleichen Funkschau-Ausgabe sogar ein Platinenlayout zum Nachbau veröffentlicht.
Auch diese Schaltung neigt zum Erzeugen gedämpfter niederfrequenter "Nachschwingungen" bei Anregung durch einen einzelnen starken Impuls am Eingang.
Einer der Gründe dafür sind die beiden Koppelkondensatoren 150nF zur Endstufe: diese beiden sorgen für eine immer noch recht starke Phasendrehung am unteren Ende des Frequenzgangs, was in Verbindung mit dem Ausgangsübertrager zu Phasendrehungen bis fast 180° führt.
Andererseits führt eine Vergrösserung der beiden Kondensatoren zu Problemen beim "Hochfahren" der Endstufe (getrenntes Einschalten der Hochspannung bei vorgeheizten Röhren), was in einer Simulation sichtbar wurde:
Bis zur vollständigen Aufladung der beiden Koppelkondensatoren sind die Endstufenröhren mit Gitterstrom angesteuert und damit über dem Limit des maximalen Anodenstroms. Das kann zur Herabsetzung der Lebensdauer der Endröhren führen.

1988/1989:
Im Elrad Magazin 12/1988 und 1/1989 erschien ein Artikel über eine PPP-Endstufe hoher Leistung (100W), ganz ähnlich wie die zuvor erwähnte Schaltung der Funkschau aufgebaut, jedoch mit 6 x EL34 in der Endstufe. Dieser Verstärker verwendete einen Eingangsübertrager, offenbar, weil die geringe Verstärkung der Vorstufe nicht für eine Vollaussteuerung mit Normpegeln ausreichte. ausserdem hat der Ausgangsübertrager galvanische Trennung. Die Arbeitspunkteinstellung wurde durch kapazitiv überbrückte Kathodenwiderstände wie bei Betriebsart AB erreicht, womit der Arbeitspunkt laut Autor eher auf A denn als auf AB eingestellt sein sollte. Die Betriebsspannung der Vorstufe war mit Zenerdioden stabilisiert.

1990:
In der Finnischen Zeitschrift “Hifi-lehti“ [26] erscheint im Dezember ein Artikel über Köykkä's Verstärker OP-3 (Id204446 ), der u.a. auch einen Teil der Schaltung zeigt, hier insbesondere die Endstufe, die über eine besonders interessante Neuerung ver-fügt. Im Gegensatz zu früheren Schaltungen konnte hier auf die ansonsten unvermeidliche doppelte Stromversorgung verzichtet werden. Dies wurde durch Einführung zweier weiterer Wicklungen (A, B, s. rechts) im Ausgangsübertrager bzw. in der Ausgangsdrossel erreicht. In der Schaltung habe ich für ein besseres Verständnis die Strom-laufwege bei aktiver oberer Endröhre eingezeichnet, wobei sich zeigt, dass immer alle vier Teilwick-lungen A,B,C,D gleichzeitig zur Verstärkung beitragen. Dabei ist der Wicklungssinn der beiden Wicklungen C+D gleich, derjenige der Wicklungen A+B jedoch entgegengesetzt (!), über die beiden 10μF-Kondensatoren fliesst ein Teil (grüne Pfeile) des (Primär-)Stroms.

1995-2003:
Im Elektor-Verlag erschien ein Buch [19], das neben Schaltungsvorschlägen für konventionelle Endstufen auch solche für PPP-Endstufen enthält. Die dort präsentierten PPP- Schaltungen sind eine Weiterentwicklung der Schaltung aus dem Elrad Magazin. Hier wurde mit einer festen negativen Vorspannung bezogen auf die Kathoden der jeweiligen Endröhren gearbeitet, die für jede der beiden Endröhren getrennt erzeugt wurde, das entspricht eher einer Betriebsart Klasse B. Dadurch konnte die Betriebsspannung besser genutzt werden, was den Wirkungsgrad ansteigen liess. Dennoch hatte jede Endröhre einen Kathodenwiderstand zur Linearisierung per Stromgegenkopplung und zum Ausgleich von Röhrentoleranzen untereinander. Die globale Gegenkopplung schloss im Gegensatz zu allen anderen Konzepten NICHT den Ausgangsübertrager mit ein, nicht zuletzt weil dieser aufgrund seiner Bauart (MD74) zwar in der Lage war, die Ausgangsleistung zu übertragen, jedoch nicht genug Eigeninduktivität unter Volllast mitbringen konnte um die Phasendrehung bei der unteren Grenzfrequenz und damit eine mögliche Selbst-erregung zu verhindern (gemäss dem Artikel von Hr. Wulf Alex [17] hätte ein Übertrager MD74 bei weitem nicht genug Eisen um eine solche Phasendrehung zu minimieren).
Als Treiber für die Endröhren diente eine als Differenzverstärker geschaltete ECC81, begründet wurde das mit einer gewünschten niedrigen Ausgangsimpedanz des Treibers. Da aber der Eingangswiderstand des Kathodenfolgers bzw. der Anodenbasis-Schaltung bei Bezug des Gitterwiderstands direkt auf die Kathode bzw. die Primärseite des Ausgangsübertragers (= Bootstrapped) um den Faktor 1/(1-Gain) deutlich grösser ist [22] als wie beim Anodenfolger bzw. der Kathodenbasis-Schaltung und weil dies analog auch für die Eingangskapazität mit Ce = Cgk/(1-Gain) gilt [22], ist ein Treiber mit niedrigem Ausgangswiderstand gar nicht erforderlich. Das könnte zugunsten einer Treiberröhre mit geringem Durchgriff bzw. grosser Verstärkung genutzt werden.
Der Kondensator am zweiten Differenzverstärker-Eingang wurde mit 22uF gegen Masse relativ gross gewählt, da aber der Widerstand vor dem Kondensator nur 33kOhm hat, ergibt sich eine ähnliche Zeitkonstante wie bei einer Kombination von 1MOhm und 680nF gegen Masse.
Die Anfangsstufe besteht aus einer Kathodenbasisstufe mit angehängtem Kathodenfolger wie beim Bauvorschlag von Hr. Kühne [3], allerdings mit grösseren Koppelkondensatoren.
Der Klirrfaktor unter Volllast wurde mit bis zu 2.8% angegeben, Hauptursache dafür ist gemäss einer Simulation der mit 2.7kΩ viel zu kleine gemeinsame Kathodenwiderstand der ECC81, der für ungleich grosse Treiber-Ausgangsspannungen sorgt. Das “Hochfahren“ der Versorgungsspannung bei vorgeheizten Röhren würde laut Simulationsergebnis zu kurzfristigen hohen Überlastungen der Endröhren EL34 führen, soweit erkennbar wird das Gerät aber nicht mit einer verzögerten Einschaltung der Hochspannung angeboten, wodurch sich dieser gefährliche Zustand möglicherweise gar nicht erst einstellt.
Das chaotische Hochfahrverhalten liesse sich aber durch wenige Veränderungen deutlich verbessern, wie sich in einem erweiterten Simulations-Versuch zeigte. Ob Feedback zum Einsatz kommen soll, überlässt man dem Anwender, wobei das Feedback nur an der Primärseite des AÜ abgegriffen wird (was vermuten lässt, dass auch hier der AÜ für eine unerwünschte Phasendrehung mit Resonanzerscheinungen bei Feedback sorgen dürfte).

2003-2013:
Auch das “tubecad“ Magazin beschäftigte sich mit der “circlotron“ Schaltung, wobei auch hier erst einmal der Zusammenhang zwischen Gewinnung der phasengedrehten Spannungen und dem Gesamtverhalten der Endstufe nicht erwähnt wurde. Auch wurde z.B. unter der Bezeichnung “Brazilian OTL“ eine Schaltung veröffentlicht, die die gleiche kritische Beschaltung bei der Differenzverstärkerstufe mit zu kleinem Kondensator zeigte. Da eine OTL-Endstufe aber keinen AÜ hat, wirkt sich das in diesem Fall nur wenig auf den Phasengang bei tiefen Frequenzen aus.

2014:
Stefan Junghans bringt auf der Homepage von Valve-Innovation zwei Whitepaper, die einen kleineren Teil der von mir erwähnten Hinweise zur Geschichte enthalten und (unabhängig von meinen Gedanken) ebenfalls auf die Bedeutung der Symmetrie bereits in der Vorstufe hinweist. Hr. Junghans schlägt als Garant für eine bessere Symmetrie einen automatischen Ruhestromabgleich mit Hilfe eines Mikroprozessors vor, was auf Puristen aber möglicherweise abschreckend wirken dürfte.

Fazit:

Beinahe alle bislang beschriebenen PPP-Schaltungen sind problematisch, was den Phasengang am unteren Ende des Frequenzbereichs betrifft, die meisten Geräte arbeiten nicht wirklich stabil (ausgenommen vielleicht das Konzept von Hr. Junghans).

Weitere Gründe für Probleme waren z.B.

1. Thermal Runaway (thermisches Weglaufen der Endröhren), u.a. wegen der hochohmigen Gitterwiderstände der Endröhren, in Verbindung mit den Eigenschaften der Koppel-kondensatoren konnte jeder noch so kleine Reststrom dieser Kondensatoren zu überhöhten Ruheströmen der Endröhren führen.

2. Neigung zur Selbsterregung mit (beinahe unhörbar) niedrigen Frequenzen, der Phasengang aller beteiligten Koppelglieder bis zur Endröhre und zusammen mit dem AÜ betrug frequenzabhängig teilweise über 180°, was bei Rückkopplung mit erfüllter Phasenbedingung zur Selbsterregung führt oder zumindest zur Anregung gedämpfter Schwingungen (Wummern). Zusätzlich steigt durch die Selbsterregung mit tiefsten Frequenzen die Belastung der Endröhren deutlich.

3. Kurzzeitige Überlastung der Endröhren beim Einschalten der Versorgungs(hoch)spannung wegen Ladevorgängen an den Koppelkondensatoren zur Endröhre. An diesen Kondensatoren stehen im Betrieb relativ hohe Gleichspannungen, was während dem Einschalten und den damit unvermeidlichen Ladevorgängen zu kurzfristig positiven Gitterspannungen an den Endröhren führt, verbunden mit einem sehr hohen Anstieg des Anodenstroms.

4. Schlechte Eigenschaften der Koppelkondensatoren konnten zur Überlastung der Endröhren führen (Kriechströme im Dielektrikum), insbesondere im hohen Alter der Kondensatoren.

5. Toleranzen aller verwendeten Bauteile inklusive der Röhren von der Vorstufe bis zu den Endröhren können die so wichtige Symmetrie der Ansteuerung verringern und damit die dynamischen Eigenschaften der Endstufe dramatisch verschlechtern (höherer Klirrfaktor und höhere Neigung zur Selbsterregung).

6. Das Zusammenspiel ALLER den Frequenzgang bestimmenden Elemente inklusive des Ausgangsübertragers sind nicht sauber aufeinander abgestimmt

7. Die Primärspannung am Ausgangsübertrager erreicht bei Ausgangsleistungen >20W und Endröhren wie z.B. EL34 schnell Spitzenwerte, die eine galvanisch getrennte Heizspannungsversorgung der End- und Treiberröhren erforderlich macht, ansonsten werden die zulässigen Ufk-Werte normaler (E-) Endröhren unter Vollast deutlich überschritten.

Die obigen Punkte a) bis c) zeigten sich bei Electro-Voice Geräten, für die nachträglich Modifikationen durchgeführt wurden wie z.B.

a) Endröhren-Gitterwiderstände verkleinern, um "thermal Runaway" zu verhindern, aber auch

b) Koppelkondensatoren zu den Endröhren vergrössern, um die Zeitkonstante wieder zu vergrössern, wobei b) die Massnahme a) teilweise (beim Einschalten) wieder aufhob.

c) verkleinern der Koppelkondensatoren hinter der Kathodyn-Stufe, was wohl Selbsterregung verringern sollte, sich aber wiederum negativ auf den Phasengang insgesamt auswirken musste.

Problemlösung?

Eine Lösung des Problems scheint fast unmöglich, weil wenn man bei gegebener Architektur an der einen Stelle schraubt, verschlechtert sich automatisch etwas an anderer Stelle. Meine Meinung hierzu: Je einfacher die Schaltung, desto komplexer das Verhalten derselben in Grenzbereichen, insbesondere bei Anwendung von negativem Feedback.

Wie könnte eine Lösung des Problems aussehen?

Die Originalschaltung von Valvo habe ich, wie unten zu sehen, mit LTspice simuliert, wobei

die Modelle aus Tubelib.inc verwendet wurden. Zusätzlich wurden die Wickeldaten des Ausgangs-transformators aus [3] verwendet, aus diesen liessen sich die benötigten Parameter für eine Simulation erzeugen (Anm.: die Nichtlinearität der AÜ-Kennlinie bei hohen Leistungen ist im Simulationsmodell nicht eingeschlossen, dies ist in der Praxis durch entsprechende AÜ-Auslegung aka “Leistungsreserven“ vorab auszuschliessen)

Anstelle der Einfachgleichrichter wie bei Valvo habe ich zwei Brückengleichrichter vorgesehen, dadurch spielt die Polung der Netztrafo-Sekundärspannung keine Rolle mehr, ausserdem ist die Brummspannung dann in manchen Schaltungsteilen deutlich geringer, was die Simulationszeit verkürzen hilft.
Der Einfachheit halber wurde nur der 16Ω Ausgang des AÜ modelliert, aber mit dem passenden 16Ω Abschlusswiderstand belastet.
Auf den Eingangskondensator habe ich bewusst verzichtet, da dieser den in der Simulation verwendeten 10Hz Rechteckimpuls zu stark differenziert hätte.
Im Voraus muss gesagt werden, dass der Toneburst mit minimalen Verzerrungen verstärkt wird, was die prinzipielle Qualität des PPP-Konzepts bestätigt (siehe Anhang 2).
Aber: Bereits beim Hochfahren der Betriebsspannung (Röhren sind quasi vorgeheizt, die Modelle simulieren keinen Effekt der Heizung) zeigten sich Instabilitäten, die ich mit der richtigen Dimensionierung der "Starthilfe" (rechts unten im oberen Bild) zunächst einmal auf ein Minimum reduziert sehen wollte.
Damit waren die Voraussetzungen für einen halbwegs statischen (Ruhe-)Zustand als Ausgangsbasis gegeben. Beaufschlagt habe ich die so präparierte (nicht nachbaufähige) Schaltung mit:

1. einem Toneburst von 1kHz (100 Schwingungen) bei 1.6Vpp Amplitude, dabei wird die Maximalleistung von 20W knapp überschritten (signal “V(out)“ in brauner Farbe, bei t= 3sec, Grafik unten).

2. mit einer Einzelschwingung (Rechteck mit Flankenanstiegszeit) von 10Hz bei 0.4Vpp (bei t= 4.8sec).

Schon bei a) zeigt sich (t= 3sec bis t= 3.1sec), dass die Schaltung etwas aus ihrem inneren Gleichgewicht gebracht wird, zu erkennen an den etwas stärkeren Abweichungen der Anodenströme der beiden Treiber-röhren U2 und U3 voneinander (Farbe: Pink und Grau), die sich wie bei einer gedämpften Schwingung langsam wieder auf Gleichheit zurück bewegen. Bei den Anodenspannungen von U2 und U3 hingegen (Farbe rot und cyan, ganz unten) fällt das längst nicht so sehr auf.

Im Fall b) (t> 4.8sec) fällt das Ungleichgewicht sehr viel deutlicher aus und es dauert einige Sekunden, bis sich die Schwingung wieder zurück entwickelt, hier sind der Übersicht halber nur die ersten 5 Halbschwingungen zu sehen (t = 4.8sec bis 8.0sec), die Frequenz dieser Schwingung ist etwa 0.83Hz.

Je nach Grösse der Koppel- bzw. Bypasskondensatoren entstehen Frequenzen zwischen 0.5Hz und wenigen Hz, die das weiter oben erwähnte “Wummern“ erklären.
Am Ausgang entsteht durch die Schwingungen eine Amplitude von <0.5V und nur wenige mA Strom zum Lautsprecher, weswegen diese Schwingungen akustisch nur wenig wahrnehmbar sein werden, sie verschieben jedoch die Arbeitspunkte der Endröhren im Takt dieser Schwingungen was zu unerwünschten Modulationseffekten führen kann.

Da die Firma Valvo mit 150μF im Kathodenzweig der Endröhren einen eher ungewöhnlich kleinen Bypasskondensator (vgl. MEL Pic35 = 500μF) vorgesehen hatte, wollte ich wissen wie sich die selbe Schaltung mit den 250uF verhält, wie sie z.B. bei Funkschau angegeben waren.

Mit Bypasskondensatoren von 250uF beginnt die Endstufe bereits zu schwingen, weil die Phasendrehung aus Vorstufe, Treiber, Endröhre zusammen mit der Phasendrehung des AÜ die 180° erreicht.
Die Ursache waren aber nicht die Bypasskondensatoren der Endröhren sondern einerseits der Bypasskondensator der Differenzverstärkerstufe, der ja 1987 auch vom Funkschau-Autor auf 2.2uF vergrössert wurde, andererseits die Koppelkondensatoren zwischen Treiber und Endröhren, die, auf 0.47uF vergrössert, plötzlich ein wesentlich besseres Gesamtverhalten der Schaltung erkennen liessen.

Abbildung Spannungen/Ströme mit 0.47uF Koppelkondensatoren und 2.2uF Differenzverstärker- Bypass.

Ein Verhalten ganz ohne gedämpfte Schwingungen liess sich selbst mit weiter vergrösserten Treiber-Koppelkondensatoren nicht realisieren.

Um die Probleme noch besser in den Griff zu bekommen musste mehr getan werden. Eine weitere Simulation sollte dies dann auch bestätigen.

An den Eigenschaften des Ausgangsübertragers konnte nicht viel ohne eine Verschlechterung der Übertragungsbandbreite oder eine deutliche Vergrösserung der Abmessungen geändert werden.

Daher wurde anstelle der AC-Kopplungen in den Vorstufen (wie bei Funkschau oder Valvo) eine symmetrische Differenzverstärkerstufe mit vollständiger DC-Kopplung bis zu den Koppelkon-densatoren der Endröhre aufgebaut. Das wäre in der Praxis auch ohne weiteres mit Hilfe der zweiten, von Valvo ungenutzen Hälfte der Vorstufenröhre ECC83 möglich. Die nunmehr zwei Differenzverstärker erhielten einen “long tailed“ Kathoden-widerstand bei einer Versorgungsspannung von -150Volt. Die negative Versorgungsspannung vergrössert natürlich den Aufwand beim Netztrafo, es ist wegen des geringen Strombedarfs dieser Spannung aber möglich, diese auch mit Hilfe von Trennkondensatoren und Brückengleichrichtern aus den Hauptspannungen zu generieren, oder über einen Sperrschwinger (auch mit Röhre!) aus der positiven Versorgungsspannung zu erzeugen.

Ergebnis:
Die Phasenreserve (Phase-Margin) bei kleinster Frequenz wurde deutlich grösser, was sich auch sofort in einer noch geringeren Schwingneigung bemerkbar machte.

Das war noch nicht das bestmögliche Ergebnis, daher wurden versuchshalber die Koppel-kondensatoren C5 und C6 zur Endstufe durch “fliegende“ Gleichspannungsquellen (was in einer Simulation einfach ist) ersetzt.
Damit waren tatsächlich die zuvor beschriebenen Probleme auf ein vernachlässigbares Minimum reduziert.
Um nicht wirklich “fliegende“ Gleichspannungsquellen verwenden zu müssen, mussten für beste Ergebnisse also auch die Koppelkondensatoren zu den Endröhren nochmals deutlich grösser gemacht werden. Letztendlich wird aber die Kondensator-Grösse ein Kompromiss aus wirtschaftlichen Gründen darstellen.
Grosse Koppelkondensatoren bringen jedoch beim Einschalten der Hochspannung (bei bereits vorgeheizten Röhren) kurzfristig positive Gitterspannungen an die Endröhren. Hier sind Massnahmen zur Begrenzung des Anodenstroms auf zulässige Maxima gefragt, in diesem Fall möglich wäre z.B. ein Kurzschliessen der Endröhren-Gitter durch Reed-Relais während dem "Hochfahren" der Betriebsspannung.
An dieser Stelle bietet das Zechendorff-Design einen Vorteil: wegen der kreuzgekoppelten Vorstufe werden die Treiber (12BH7) jetzt beim “Hochfahren“ der Schaltung kurzfristig voll durchgesteuert, was den zuvor erwähnten Ladevorgang (siehe Fazit: Punkt c) der Koppelkondensatoren deutlich verringert und damit Gitterstrom an den Endröhren fast vollständig verhindert.
Ausserdem ist die Verwendung von Polypropylen-Kondensatoren zwischen Treiber und Endröhren dringend zu empfehlen, da Kriechströme im Dielektrikum, seien sie auch noch so klein, hier zu gefährlichen Veränderungen des Ruhestroms der Endröhren führen können.
Wegen der deutlich geringeren Empfindlichkeit von Polypropylen gegen Feuchtigkeit und wegen geringerer Alterungseffekte gilt das gleiche wie zuvor.

Auch hier bietet das Zechendorff-Design einen Vorteil: wegen der relativ niederohmigen Gitterwiderstände der Endröhren können sich an denselben nicht so schnell zu hohe Spannungen aufgrund von Kriechströmen aufbauen.

Für eine möglichst symmetrische Verstärkung in den Vorstufen sollten "long tailed" Differenz-verstärker mit einer negativen Hilfsspannung sorgen, denn nur eine beinahe 100%ige Symmetrie in der Signalverstärkung verringert die Schwingneigung auf das geringst mögliche. Das gilt übrigens auch für die Cross-Coupled Vorstufe (1. Röhre) im Zechendorff- Verstärker.
Zusätzlich hilft ein unterer Frequenzgang von Vorstufe bis hin zum Treiber (inklusive Kopplung zur Endröhre) von nahe 0Hz bei der Stabilisierung des Arbeitspunkts der Endröhren bzw. bei der Minimierung der unerwünschten Phasendrehung. Ansonsten muss die Primärinduktivität des AÜ deutlich erhöht werden, um den Phasengang weiter zu verbessern, was den Ausgangs-Übertrager natürlich teurer macht.
Eine Beschneidung des Frequenzgangs am unteren Ende sollte grundsätzlich nur VOR der gesamten Endstufe erfolgen, nicht innerhalb des rückgekoppelten Bereichs, ganz besonders bei der Vor- bzw. der Treiberstufe.

Übrigens: die Frage nach der Spannungsdifferenz zwischen Kathode und Heizung wurde bereits 2015 schon einmal diskutiert. Dazu lässt sich folgendes sagen:

Sowohl Philips (AG9006) wie auch Carad (MPAS08), Electro-Voice (A30) und Zechendorff legten die für alle Röhren gemeinsame Heizspannung an Masse, lediglich die Heizspannungen der Gleichrichterröhren waren auf getrenntem Potential.
Bei MEL waren die Heizspannungen der Endröhren aber allesamt galvanisch getrennt vom Rest.
Möglicherweise ist bei der Angabe der Ufk der EL34 (100V) von einem mittleren Wert dieser Spannung auszugehen, seltsam wäre, wenn alle o.g. Hersteller ausser MEL (Langzeit-) Schäden an den Endröhren bewusst in Kauf genommen hätten.
Solange die Ausgangsleistung bei üblichen Endröhren nicht viel mehr als 20-30W beträgt, wird es möglich sein, mit den Primärspannungen am AÜ bei nicht viel mehr als +/-100V zu bleiben. Ansonsten ist es besser Röhren mit P-Heizung zu verwenden, da die viele dieser Röhren ein U_fk von >+/-100V erlauben.
Wer dem Problem mit der Kathoden- Heizspannungsdifferenz ganz aus dem Weg gehen möchte, dem seien folgende Röhren empfohlen:

RCA 6CA7 = Ufk von +/-200V (RCA Receiving Tube Manual, RC29) als Ersatz für die EL34

RCA 12AX7A = Ufk(pk) von +/- 200V als Ersatz für die ECC83 (RCA Receiving Tube Manual, RC29),

Ferranti ECC83 = Ufk von 180V (Ferranti Technical Handbook Valves and Cathode Ray Tubes 1957)

Überhaupt ist, wie schon Electro Voice zeigte, der Einsatz unterschiedlichster Endröhren bei nur wenigen Anpassungen möglich.

Ein Nachbau eines PPP-Verstärkers ist allerdings wegen der vielen, weiter oben beschriebenen Stolpersteine nichts für einen unerfahrenen Bastler, nicht zuletzt muss darauf hingewiesen werden, dass einige der in der Simulation gezeigten Messungen an einer PPP-Endstufe in der Praxis gar nicht bzw. nur unter Gefahr für den Messenden durchführbar sind. Die allgemeinen Sicherheitsregeln sind unbedingt zu beachten!

Literaturhinweise:

[1] Radio-Magazin 1955, No. 4, s. 101

[2] Fritz Kühne, Hifi Schaltungs- und Baubuch, RPB 35 (4.+5. Auflage), 1961, Franzis-Verlag, s. 32-35

[3] Fritz Kühne, "20W Hifi Verstärker PPP20", Funkschau 1957, Heft 2, s. 39

[4] Fritz Kühne, "PPP Verstärker mit 2 x EL84", Funkschau 1957, Heft 5, s. 131

[5] Elsner, J, "20W PPP Verstärker in Kleinbauweise", Funkschau 1960, Heft 18, s. 459

[6] Alfred Zechendorff, "PPP-Kinoverstärker mit kreuzgekoppelter Vorstufe", Funkschau 1960, Heft 9, s. 233

[7] J. N. van Scoyoc and G. F. Warnke, "A D-C Amplifier with Cross-Coupled Input * ", Electronics, February 1950, s.

[8] "35W PPP-Verstärker mit 2 x EL34", Valvo Brief, November 1961, No. 5

[9] "30W PPP-Röhrenendstufe", Funkschau 1987, Heft 24, s. 66

[10] Alexander Potchinkov, “Simulation von Röhrenverstärkern mit SPICE“, 2009, Vieweg + Teubner, s.138-146

[11] R. E. Aitchison, "A New Circuit for Balancing the Characteristics of Pairs of Valves", Electronic Engineering, May 1955, pp. 224-226

[12] “Verstärker Röhren für Elektronik“, Telefunken, 1961/62

[13] “Electron Tube Manual“, Volume 1, Philips, 1964, Abschnitt “Applications Directions“ bzw. “Anwendungsrichtlinien“

[14] “Technical Handbook, Book 2, Valves and Tubes, Part 1“, Mullard Limited, Sept. 1969

[15] J.R. MacDonald, “An AC Cathode-Follower Circuit of Very High Input Impedance“, The Review of Scientific Instruments, Volume 25, Number 2, February 1954, pp. 147-147

[16] Burkhard Vogel, “How to Gain Gain“ (Balanced differential Gain Stage), Springer 2008, pp. 223

[17] Dipl. Ing. Wulf Alex, “Berechnung von Gegentakt-Ausgangsübertragern“, Funkschau 1967, Heft 24, pp.767-769

[18] Telefunken Laborbuch, Band 1 (Nf-Ausgangsübertrager für Röhren-Endstufen), 1957, pp. 174ff

[19] Gerhard Haas, “High End mit Röhren“, Elektor Verlag, 6. Auflage 2003

[20] Werner W. Diefenbach, “Verstärkerpraxis“, Verlag für Radio-Foto-Kinotechnik GmbH, Berlin-Borsigwalde, 1954, pp. 28+29

[21] Dipl.Phys. Jürgen Gullasch, “Eine Transistor-Kompaktendstufe nach dem PPP-Prinzip“, Funkschau 1967, Heft 2, s. 40

[22] Elmar Kunze, “Der Anodenbasisverstärker in Theorie und Praxis“, Radio und Fernsehen 1, 1957, s. 23-27

[23] Hütte IV B (Elektrotechnik, Teil B, Fernmeldetechnik), Verlag Wilhelm Ernst & Sohn, Berlin·München 1962, pp. 438

[24] Dr. B. G. Dammers, Ing. J. Haantjes, J. Otte und Ir. H. van Suchtelen, “Anwendung der Elektronenröhre in Rundfunkempfängern und Verstärkern, BUCH 2 (NF-Verstärkung, Endstufe und Speisung), N.V. Philips Gloeilampenfabrieken – Eindhoven, 1951, pp. 82 – 84

[25] Peter G. Sulzer, “A Survey of Audio-Frequency Power-Amplifier Circuits“, Audio Engineering, May 1951, pp. 15+ 46-48

[26] Koonut Martti Tala, “Suomalaisen HIFIN Lähteillä“, HIFI-lehti, 12/1990 joulukuu, pp. 36-39 + 42-43

[27] “Verstärker mit einfachem Ausgangsübertrager“, Funk-Technik, Rubrik: Zeitschriften und Bücher, 7/1953, pp. 220

[28] Kurt Schlesinger, “Cathode Follower Circuits“, Proceedings of the I.R.E., December 1945, pp. 843-855

[29] W. Mache, “MEL PIC-35, ein neuer deutscher Hochleistungsverstärker“, Hifi Stereophonie, November 1964, pp. 536

[30] Rü., “Stereoverstarker MEL PIC-35“, Hifi Stereophonie, 12/1965, pp.736

* designed and constructed under Ordnance Contract No. W-ll-022-0RD-1l319 for Ballistics Research Laboratories of Aberdeen Proving Ground

Anhang 1:

Warum die Ausgangswiderstände einer Kathodyn-Stufe nicht gleich gross sind:
Für die Berechnung des kathodenseitigen Ausgangswiderstands gilt [10]:

Rk ║ Ri+Ra bzw. bei grossem μ näherungsweise Ri+Ra

1+μ 1+μ

Für die Berechnung des anodenseitigen Ausgangswiderstands gilt:

Ra ║ (Ri+(1+μ)*Rk)

Im Falle einer ECC83 Kathodynstufe mit je 100kΩ Ra und Rk und bei Ub=250V bedeutet das:

Ausgangswiderstand kathodenseitig: 1579 Ω
Ausgangswiderstand anodenseitig:  99026 Ω

Im Falle einer ECC82 Kathodynstufe mit je 10kΩ Ra und Rk bedeutet das:

Ausgangswiderstand kathodenseitig: 895 Ω
Ausgangswiderstand anodenseitig:  9494 Ω

Wenn die anoden- und kathodenseitigen Ausgänge eine jeweils gleich grosse Last treiben müssen, die nicht deutlich grösser als das 10fache des anodenseitigen Ausgangswiderstands ist, entstehen folglich unterschiedlich grosse Ausgangsspannungen. Damit ist keine Symmetrie der Ausgangssignale mehr gewährleistet. Beim Treiben einer kapazitiven Last wie z.B. der Gitter-Kathoden-Kapazität bzw. der Cga (bei Trioden) einer nachfolgenden Röhre entstehen weitere frequenzabhängige Unsymmetrien [10, 16] diese sind zusätzlich zu berücksichtigen.

Anhang 2:

Simulationsergebnisse der optimierten (symmetrischen, “long tailed“) Valvo-Schaltung inklusive einer stabilisierten Vorstufen- Anodenspannung:

Für brauchbare Ergebnisse der Fourieranalyse wurde eine Schrittweite von <1/10 der Schwingungsdauer der 9ten Harmonischen gewählt, nachfolgend die LTspice Ergebnisse:

Eingangsspannung inpp:        PP(v(in))=1.4133 FROM 0 TO 0.0999991
Eingangsspannung acin:        RMS(v(in))=0.49943 FROM 0 TO 0.0999991
Ausgangsspannung acout:     RMS(V(out+)-V(out-))=17.1664 FROM 0 TO 0.0999991
Ausgangsstrom ioutrms:        RMS(i(R1))=1.14442 FROM 0 TO 0.0999991
Ausgangsleistung pwrout:      ioutrms*acout=19.6456
Verstärkung RMS gain:           acout/acin=34.3719
Verstärkung in dB dbgain:       20*log10(gain)=30.7241
Ausgangsspannung outpp:     PP(v(out+)-v(out-))=48.664 FROM 0 TO 0.0999991
Verstärkung PkPk gain_pp:     outpp/inpp=34.4328
Verstärkung in dB dbgain_pp: 20*log10(gain_pp)=30.7395

Eine Klirrfaktor Analyse bei 1kHz ergab folgende Werte:

Fourier components of I(r1)
DC component:0.000846437 (Anm.: DC Offset = annähernd 0)

Harmonic Number	Frequency [Hz]	Fourier Component	Normalized Component	Phase [degree]	Normalized Phase [deg]
1	1.000e+03	1.618e+00	1.000e+00	179.75°	0.00°
2	2.000e+03	5.176e-04	3.199e-04	-88.91°	-268.66°
3	3.000e+03	9.722e-04	6.008e-04	-178.74°	-358.49°
4	4.000e+03	2.828e-06	1.747e-06	-80.67°	-260.42°
5	5.000e+03	6.164e-05	3.809e-05	6.61°	-173.14°
6	6.000e+03	5.038e-07	3.113e-07	-93.67°	-273.42°
7	7.000e+03	2.536e-04	1.567e-04	1.43°	-178.32°
8	8.000e+03	1.179e-07	7.285e-08	107.12°	-72.63°
9	9.000e+03	5.670e-05	3.504e-05	179.95°	0.19°

Total Harmonic Distortion: 0.070032% (Anm.: bei 19.646 Watt Ausgangsleistung!)

Klirrfaktor bei 10kHz:

Fourier components of V(out)
DC component:0.00898739

Harmonic Number

Frequency [Hz]

Fourier Component

Normalized Component

Phase [degree]

Normalized Phase [deg]

1	1.000e+04	2.430e+01	1.000e+00	174.80°	0.00°
2	2.000e+04	1.094e-02	4.503e-04	-73.72°	-248.52°
3	3.000e+04	3.508e-02	1.444e-03	-171.49°	-346.28°
4	4.000e+04	4.160e-03	1.712e-04	135.57°	-39.23°
5	5.000e+04	2.331e-02	9.595e-04	-1.56°	-176.36°
6	6.000e+04	4.049e-03	1.666e-04	-39.84°	-214.64°
7	7.000e+04	1.488e-02	6.124e-04	178.35°	3.55°
8	8.000e+04	3.274e-03	1.347e-04	141.07°	-33.73°
9	9.000e+04	8.531e-03	3.511e-04	6.69°	-168.11°

Total Harmonic Distortion: 0.194449% (gleiche Ausgangsleistung wie bei 1kHz)

Nachfolgend der Klirrfaktor bei 20kHz und vollen 35Watt Ausgangsleistung:
total 0.581537% (k1 – k9)Gut zu erkennen: k3 und k5 tragen den grössten Anteil am (sehr kleinen) Klirrfaktor, k3 ist < -60dB und k5 immer noch < -47dB.
Für manche Personen mag der etwas höhere Anteil von k3/k5 unerwünscht sein, das lässt sich zum Preis eines höheren Gesamtklirrfaktors aber ausgleichen, indem der Kathodenwiderstand der Differenzverstärkerstufen soweit verringert wird, dass nunmehr k2 und k3 gleich stark im Spektrum vertreten sind.

Anhang 3:

Mit der nachfolgenden Test-Schaltung wurde die Eingangsimpedanz der Endröhren im Vergleich zu Anodenfolgern gemessen, was in der Simulation gefahrlos und mit relativ guter Genauigkeit durchgeführt werden kann. Dabei habe ich bewusst auf die Vorstufe verzichtet, um deren Quellwiderstand zu eliminieren.
Jetzt wurde, zuerst bei der PPP-Endstufe, die RMS-Spannung an der Anode der Treiberröhre durch den über den Kondensator zur Endröhre fliessenden RMS Strom geteilt, was die zugehörige Eingangsimpedanz ergibt.
Die gleiche Messung wurde anschliessend bei den Endröhren als Anodenfolger mit nunmehr fester Treiber-Anodenspannung wiederholt.
Dabei zeigte sich, dass die Anodenfolger-Endstufe bei 1kHz eine Eingangsimpedanz von 555kΩ aufwies (logischerweise entsprechend nahe dem Gitter-Kathodenwiderstand), während die Eingangsimdedanz des Kathodenfolgers mit 4.52MΩ fast 9mal grösser zu messen war.
Das entspricht auch der Berechnung in [16] , Seite 30, die für einen Kathodenfolger mit Bezug des Gitterableitwiderstands auf die Kathode selbst (Bootstrapped Input Resistance) einen um 1/(1-Gain) grösseren Eingangswiderstand prognostiziert. Gleiches gilt für die Eingangskapazität, die um den gleichen Faktor deutlich kleiner ausfällt, mit ein Grund für den guten Frequenzgang am oberen Ende.(In [28] wird sogar berichtet, dass unter bestimmten Umständen die Eingangskapazität eines “bootstrapped“ Kathodenfolgers negativ werden kann. Das würde den kleinen “Peak“ im Frequenzgang am oberen Ende des Übertragungsbereichs erklären, der den Einsatz eines Gegenkopplungskondensators im pF-Bereich erforderlich macht.)
Infolgedessen war der für Vollaussteuerung aus dem Treiber zur Endröhre fliessende Signalstrom trotz einer für die PPP-Endstufe 17mal höheren Amplitude nur etwa doppelt so gross wie bei der Endstufe mit Anodenfolger. Das bedeutet: die Treiber werden nur wenig mehr belastet.
Die Eingangsimpedanz der Treiberröhren war gleichzeitig nur geringfügig kleiner (1.16MΩ) als diejenige der Treiber einer Anodenfolger-Endstufe (1.85MΩ).

Aus diesem Grund eignen sich Treiber Trioden mit relativ grossem Innenwiderstand bzw. mit kleinem Durchgriff wie die ECC83 durchaus für diesen Zweck. Lediglich die Spannungen zwischen Kathode und Anode an der Treiber Triode überstreichen einen recht grossen Bereich von 60V bis 390V bei Maximalaussteuerung, was die Auswahl an geeigneten Trioden möglicherweise einschränkt. Da der mittlere Anodenstrom aber hierbei nur 350uA beträgt, ist die thermische Belastung im zulässigen Bereich.
Eine weitere Einschränkung der Röhrenauswahl dürfte in der notwendigen grösstmöglichen Gleichheit der Röhrenparameter liegen, hier sind “gematchte“ Röhren zu bevorzugen oder Typen wie die ECC803S (geht übrigens mit bis zu 400V Anodenspannung, siehe [12]) oder ähnliche zu verwenden oder es werden besondere Vorkehrungen getroffen, wie nachfolgend im Anhang 4 beschrieben ist.

Bemerkenswert: Durch die “Mitkopplung“ (oder positives Feedback) der Anodenspannung der Treiberröhre wird die Amplitude der Anodenstromschwankung kleiner als wie bei Versorgung durch eine konstante Betriebsspannung, was bei noch weiter zunehmender Mitkopplung sogar bis zu einem annähernd konstanten Anodenstrom der Treiberröhre führt. Das konnte in einem weitergehenden Versuch festgestellt werden. Übersteigt aber die Mitkopplung den über der Endröhre entstehenden Amplitudenverlust, wird die ganze Endstufe zu einer Kippschaltung.
Bei einem konstanten Anodenstrom der beiden Differenzverstärker Röhren (wie z.B. bei einer Stromquelle als Anodenlast) nimmt ausserdem die Verstärkung einer Differenzverstärkerstufe auf das maximal Mögliche zu, welches deutlich über der Verstärkung mit reinen Anodenwiderständen liegt. Das wurde in [16] wie folgt beschrieben:
“Das Ersetzen der Anodenwiderstände Ra1 und Ra2 durch einen aktiven Ansatz mit Röhren, die als Stromquellen geschaltet sind, wie z.B. die oberen Röhren in einer µ-Follower Schaltung oder wie bei verstärkenden Elementen wie die oberen Röhren in einer Cascode-Schaltung führt zu höherer Verstärkung und – nur im Falle eines µ-Followers – zu niedrigeren Ausgangsimpedanzen.“
Das Mitkopplungsprinzip kann auch dazu genutzt werden, jeder Endröhre einen Kathodenfolger voranzustellen, der durch einen Mitkopplungsfaktor von ca. 1.2 seiner Anodenspannung praktisch keine Eingangskapazität mehr für die vorhergehende Stufe zeigt. Zum Preis einer extra Doppeltriode kann dadurch die Belastung der Treiberröhre fast völlig aufgehoben werden, was dann gleichfalls die Verwendung relativ kleiner Koppelkondensatoren (C5, C6) ermöglicht. Das Prinzip ist in [15] ausführlich beschrieben worden.

Anhang 4

Eine alternative Methode zum Ausgleich von unterschiedlichen Röhrenparametern in Differenzverstärkerstufen wurde in [11] unter Anwendung von Daten aus [12,13,14] beschrieben. Siehe dazu auch dieser Artikel im RM.

Anhang 5:

Der Aufbau der Wicklung eines Spartransformators kann prinzipiell sehr einfach gestaltet sein. In [3] wurde eine Gestaltung wie nebenstehend vorgeschlagen (Bild links).

Es wurde vorgeschlagen, die gesamte Wicklung, mit den unterschiedlichen Drahtdurchmessern aneinander gereiht, in einem Stück ohne Unterbrechung zu Wickeln.

Das ist zwar mechanisch relativ einfach, aber dadurch entsteht eine weitere Unsymmetrie, da dann die eine Endstufenhälfte auf den innenliegenden Teil der Primärwicklung wirkt (mit kleinerem Wickeldurchmessser pro Windung), während die zweite Endstufenhälfte auf den aussen liegenden Teil der Primärwicklung wirkt (mit grösserem Windungsdurchmesser).

Die mechanische Anordnung dieses Vorschlags ist rechts abgebildet.
Folglich sieht die eine Endstufenhälfte einen etwas grösseren Kupferwiderstand als wie die zweite.
Ausserdem dürften auch die magnetischen Wirkungen der beiden Teilwicklungen nicht exakt gleich sein. Das führt zu ungleich grossen DC-Ruhespannungen auf den beiden Teilwicklungen, und wegen der gleichstrommässig ange-schlossenen Gegenkopplung natürlich auch zu einem unsymmetrischen Feedback.

Daher empfiehlt sich fast von selbst, die beiden primären Teilwicklungen von Anfang an Bifilar zu wickeln und die so entstandenen Wicklungshälften symmetrisch auf je eine Endstufenhälfte zu verteilen.
Damit ist, abgesehen von einer noch besseren Kopplung, der Gleichstromwiderstand beider Primärwicklungen exakt gleich, womit der erforderlichen Symmetrie elektrisch und magnetisch bestmöglich Rechnung getragen wird.

Von einer asymmetrischen Wicklungsaufteilung der 4Ω-Anzapfungen wie oben gezeigt, ist aus vorgenannten Gründen ebenfalls abzuraten, der dadurch etwas höhere Aufwand lohnt sich.
Im Vergleich zu einem Anodenfolger-AÜ muss man sich wegen der Lagenisolation beim PPP-Ausgangsübertrager keine Sorgen machen, weil die Durchschlagsfestigkeit der heute erhältlichen CuL-Drähte deutlich besser ist als wie die dort auftretenden Nf-Primärspannungen (siehe unter: Elektrisola, Technische Daten für Lackdrähte, angelehnt an IEC60317).
Da im Gegensatz zu Anodenfolger-Ausgangsübertragern (mit grösstenteils dreistelligen Werten) die Induktivität eines PPP-AÜ deutlich kleiner (unterer zweistelliger Bereich) ist, entsteht bei tiefen Frequenzen ein schlechterer Phasengang, der mit Ursache für die oben beschriebenen Probleme ist. Aus diesem Grund scheint es letztlich sinnvoll, entgegen den Gesetzen der Ökonomie dem AÜ eine grössere Windungszahl als rechnerisch notwendig und auch einen grösseren Kern [17] zu gönnen, da dadurch das Problem mit der Phasendrehung bei tiefen Frequenzen deutlich kleiner wird.

Anhang 6

Auch der Innenwiderstand eines Kathodenfolgers ist nicht unter allen Umständen konstant, daher kann die Angabe “beträgt nur ¼ des Innenwiderstands einer Endröhre“ für die Endstufe nur als ungefähr bezeichnet werden. Der Grund dafür liegt in der Dynamik des Innenwiderstands mit zunehmender Aussteuerung der Endröhre. In Hütte IV B [23] heisst es: S = (ΔI_a/ΔU_g) _{Ua = const}
Da U_a während der Aussteuerung mit grossen Amplituden aber nicht konstant ist, muss man insbesondere bei kleiner momentaner Anodenspannung (=grosser Aussteuerung) von einer geringeren Steilheit ausgehen. Weil der Innenwiderstand von der Steilheit der Röhre abhängt [10] (siehe auch Anhang 1) ist also von momentanen Schwankungen des Innenwiderstands der Endröhren auszugehen, was letztlich zu einem höheren Innenwiderstand insgesamt führt.
Aus diesem Grund ist der durchschnittliche Innenwiderstand einer Kathodenfolger-Endstufe bei grosser Aussteuerung der Endröhren grösser als jener bei kleiner Aussteuerung anzusehen.
Das hat sich auch in den Simulationen bestätigt.
Glücklicherweise reagiert ein Kathodenfolger auf eine Fehlanpassung der Last nicht so ausgeprägt wie ein Anodenfolger, aber auch hier muss im ungünstigsten Fall mit einer Verschlechterung des Klirrfaktors oder gar mit einer Überlastung gerechnet werden. Um genügend Sicherheitsreserven bei grosser Aussteuerung zu haben, sollte auch hier besser von einem grösseren Innenwiderstand der Endstufe ausgegangen werden.
Welche Bedeutung der Innenwiderstand des Kathodenfolgers für die Verzerrungen in der Endstufe hat, wird durch den bemerkenswerten Text aus dem Philips-Handbuch “Anwendung der Elektronenröhre in Rundfunkempfängern und Verstärkern" [24] klar:

“In D § 1 wurde bereits darauf hingewiesen, dass in den NF-Transformatoren Verzerrungen dadurch entstehen können, dass die Magnetisierungskurve des benutzten Eisens im allgemeinen nicht linear ist.
Wird der Kern nur durch Wechselstrom magnetisiert, so entstehen durch die Symmetrie der B-H-Kurve in der magnetischen Induktion nur ungerade Harmonische.
Dies ist in Prinzip bei einer Gegentaktendstufe der Fall. Bei einer einfachen Endstufe wird der Kern jedoch gleichzeitig durch einen Gleichstrom magnetisiert, was zur Folge hat, dass die durchlaufene Magnetisierungsschleife nicht mehr symmetrisch ist und daher auch gerade Harmonische auftreten.
...
Die magnetische Verzerrung ist ausserdem im Allgemeinen klein gegenüber der Verzerrung, die in den Röhren auftritt (anm.: das trifft jedoch nicht in gleichem Ausmass für eine Kathodenfolger-Endstufe zu, da diese ja von Haus aus geringere Verzerrungen hat). Dagegen ist es gut, einige Punkte zu betonen, die, abgesehen von den Eigenschaften des Eisens, für eine möglichst geringe magnetische Verzerrung wichtig sind.

Wird ein Kern durch einen sinusförmigen Wechselstrom magnetisiert, so ist die Induktion nicht mehr sinusförmig, und in einer Sekundärwicklung wird dann auch eine nicht sinusförmige Wechsel-spannung induziert; es tritt also Verzerrung auf.

Stellt man jedoch unter bestimmten Umständen an der Primärwicklung eine sinusförmige Spannung fest, dann ist also offenbar die Induktion auch sinusförmig und muss dadurch auch die in der Sekundärwicklung induzierte Spannung sinusförmig sein.

Mit anderen Worten, gelingt es die Spannung an der Primärwicklung sinusförmig zu halten, so tritt, ungeachtet der B-H-Kurve, keine Verzerrung auf (anm.: das ist insbesondere bei einer Kathodenfolger-Endstufe möglich).

Zu der sinusförmigen Induktion gehört dann aber ein nicht sinusförmiges magnetisierendes Feld, also ein nicht sinusförmiger Magnetisierungsstrom. Dies bedeutet also, dass bei Anschluss einer sinusförmigen Spannung an die Primärwicklung ein verzerrter Magnetisierungsstrom fliesst. Diese Tatsachen sind aus der Elektrotechnik hinlänglich bekannt. ... Zur Erzielung einer sinusförmigen Spannung an L ist also ein niedriger (anm.: Gleichstrom-) Widerstand bzw. eine hohe Selbstinduktion wichtig.“

Das oben gesagte erklärt nunmehr auch, warum bei einer Kathodenfolger-Endstufe bis zum Erreichen der maximalen Ausgangsleistung die Verzerrungen relativ gering sind, um dann, bei noch weiter zunehmender Ausgangsleistung, sehr schnell anzusteigen. Oder, mit anderen Worten: wenn der Innenwiderstand der Kathodenfolger-Endstufe aufgrund zunehmender Aussteuerung immer grösser wird, ist diese nicht mehr in der Lage, die (~gleichzeitig) zunehmenden Stromverzerrungen im Ausgangsübertrager auszugleichen.
Bei Auswahl eines Übertragers mit geringerer Verzerrung bei Kernsättigung bzw. mit grösseren Leistungsreserven wird also der Klirrfaktor in der Endstufe nicht so steil ansteigen. Gleiches gilt für die Erzielung einer möglichst grossen Primärinduktivität bei möglichst kleinem Gleichstrom-widerstand. Hier werden höchstwahrscheinlich Kompromisse zwischen Materialauswahl und Preis getroffen werden müssen.

Anhang 7:

Durch die Hilfe von RM-Mitglied Ake Nyholm wurde ich auf weitere Details der von Köykkä geleisteten Arbeit aufmerksam, an dieser Stelle herzlichen Dank dafür.

Nebenstehende Box in einem Artikel der Zeitschrift “Tekniikan Maailma“ von Dezember 1955 gibt Auskunft über das Wirken von Tapio Matti Köykkä. Mit einiger Mühe liess sich der Text dann aber doch übersetzen, wobei Google's Übersetzungsdienste mit annähernd brauchbarer Genauigkeit Hilfe leisteten.

Hier die Übersetzung:
Tapio Köykkä aus Helsinki veröffentlichte 1952 auf Finnisch in der Zeitschrift RADIO (Nr. 6/1952) den Artikel "Ohne Ausgangs-übertrager", in dem die vom Autor entworfene patentierte Verstärkerschaltung beschrieben wurde.
Köykkä sandte auch einen Bericht in deutscher Sprache an die deutsche Zeitschrift FUNK-TECHNIK, die eine Schaltung mit ihren Beschreibungen in ihrer Ausgabe 7/1953 [27] veröffentlichte.

Es begann anscheinend die Reise dieser Erfindung in die große Welt, obwohl der Erfinder spätere "Veröffentlichungen" vergaß.
Auch das führende amerikanische Magazin AUDIO beschreibt in einigen Ausgaben den Verstärker der amerikanischen Firma ELECTROVOICE, der eindeutig eine Entwicklung auf Basis des anscheinend in einem Artikel in FUNK-TECHNIK beschriebenen Köykkä-Verstärkers war.
Electro-Voice hat sogar mit "pat. Pend" geworben". Köykkä kündigte an, dass er bereits ein Patent in Finnland hat, so dass das Gerät in den USA nicht patentiert werden kann.

E-V bat zwar, die amerikanischen Rechte kaufen zu dürfen, aber Köykkä's Rechte dort waren abgelaufen. Er hatte ein Patent nur in Finnland angemeldet und die Frist, innerhalb eines Jahres nach der Eingabe Auslandsanmeldungen einzureichen, verstreichen lassen.

Daher war die Erfindung in anderen Ländern kostenlos. Auch in Europa hat die Erfindung Aufmerksamkeit erregt, wie z.B. durch die in der deutschen FUNKSCHAU und im RADIO MENTOR veröffentlichten Berichte über den neuen HiFi-Verstärker von PHILIPS, welcher auf Köykkä's Erfindung basiert.
Darüber hinaus veröffentlichte das deutsche RADIO-MAGAZIN in der Ausgabe 4/1955 einen Baubericht, in dem der Artikel von Köykä ausführlich behandelt wird.

Ist diese Erfindung so groß, dass ihre Bedeutung oder Herkunft hervorgehoben werden sollte?
Mal sehen, was ausländische Magazine über den Verstärkertyp von Köykkä sagen.

Da der Erfinder selbst als zu "zurückhaltend" gilt, um über die Bedeutung seines Geräts zu sprechen, lassen, erteilen wir unseren externen Experten das Wort.

AUDIO, Januar 1955 (USA):

Das Magazin beschreibt den Verstärker von Electro-Voice und erwähnt:

"Im vergangenen Jahr hat dieses Unternehmen einen der größten Fortschritte bei einer der Schallverstärkungstechnologien vorgestellt. Dies hat die Eliminierung einer der größten Verzerrungsquellen verursacht, wenn nahe an der maximal möglichen Leistung gearbeitet wird."

RADIO MENTOR, Oktober 1955:

Das Magazin beschreibt einen Philips 15W Hi-Fi-Verstärker, der gemäß der Erfindung von Köykkä hergestellt wurde.

"Bei einer nominalen Sprachleistung von 15W überschreitet der Klirrfaktor nicht 2%, was jedoch ein Wert ist, den das menschliche Ohr bei weitem nicht realisieren kann."

FUNKSCHAU, 16/1955:

Beschreibung des oben genannten Philips Verstärkers.

"Der Frequenzgang bei 15 W ist linear ± 2 dB zwischen 20 und 50000 Hz. Der Klirrfaktor bei voller Leistung beträgt weniger als 2%."

Wer letztendlich zuerst dieses Verstärker-Konzept zum Patent angemeldet hatte, fällt mir schwer zu beurteilen, das Datum der Patentanmeldung von C.T. Hall ist bereits 1951, ob Hr. Köykkä zu diesem Zeitpunkt bereits ein ähnliches Patent eingereicht hatte, kann ich anhand der mir vorliegenden Daten nicht nachvollziehen. Tatsache ist:
1) 1951 erschien in der Zeitschrift AUDIO bzw. Audio-Engineering [25] eine Übersicht über die damaligen Verstärker-Topologien, wobei das Kathodenfolger-Konzept NICHT erwähnt wurde.
2) Herr Köykkä war offensichtlich sehr kreativ und aktiv im Bereich Verstärkerbau mit Kathodenfolgern, es folgten weitere Patenteinträge und weitere Verstärker-Konstruktionen, wie z.B. der Voima OP-3 (ID = 204446), auf Basis des Kathodenfolger-Konzepts.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Achim Dassow, 30.Aug.20

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