Klirrfaktor- und Kennlinienberechnungen an Verstärkerröhren - Anleitung

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Mit folgender Anleitung und der dazu gehörenden Excel-Berechnungsmaske können Sie folgende Berechnungen und Analysen ausführen:

• Berechnung der Verzerrung einern Verstärkerröhre, die durch eine nichtlineare Kennlinie entsteht. Die Ermittlung der Eingabewerte kann durch Messung oder Ablesen von Kennliniendiagrammen erfolgen.
• Die Berechnung des Anodenstromes, aufgesplittet in den Gleichstromanteil und die verschiedenen Wechselstromanteile.
• Ermittlung der Funktionsgleichung der U_g1-I_a-Kennlinie.
• Graphische Darstellung der Funktionsgleichung der U_g1-I_a-Kennlinie.
• Graphische Darstellung des Verhältnisses der Grundwelle zu ihren Oberwellen.
• Berechnung des Anodenstromes an einem beliebigen Punkt der U_g1-I_a-Kennlinie.

Dazu brauchen Sie:

• MS-Excel, das Kalkulationsprogramm von Microsoft.
• Ein Röhrenprüfgerät, dessen Steuergitter- und Anodenspannung frei einstellbar sind, oder
• ein Röhrendatenblatt, das die U_g1-I_a-Kennlinie enthält.

  Hinweis: In der Praxis ist die Typenstreuung der verschiedenen Röhren so gross, dass es sich empfiehlt, jede Röhre einzeln auszumessen. Das ist möglichst der Auswertung von Datenblättern vorzuziehen.

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1. Geben Sie den Arbeitspunkt (Steuergittergleichspannung bei Leerlauf) und die Steuergitterwechselspannung, die maximale Amplitude der Eingangswechselspannung ein.
2. Es werden fünf Steuergitterspannungen berechnet, zu denen aus einem Datenblatt die Anodenstromwerte ermittelt werden müssen. Alternativ können diese Werte können auch mit einem Röhrenprüfgerät gefunden werden. Anschliessend geben Sie diese in die fünf Felder für Anodenstrom ein.
3. Die Berechnung des Gleichstromanteiles, der Stärke der Grundwelle und der Oberwellen erfolgt automatisch. Der Klirrfaktor, der ein Maß ist aus dem Verhältnis von Oberwellen zu Grundwellen, wird ebenfalls angezeigt. Mit einer lineareren Kennlinie (zB. Ia=10mA; 8mA; 6mA; 4mA; 2mA) wird das Signal unverzerrt übertragen, was man daran sehen kann, dass der Klirrfaktor und die Oberwellen Null betragen.
4. Hier wird die berechnete Funktionsgleichung nach folgendem allgemeinen Schema angezeigt: I_a = a + bx + cx² + dx³ + ex⁴ Es ist eine Funktionsgleichung vierten Grades.
   Bei der Auswertung von bestimmten Kurvenverläufen treten besondere Fälle auf:
   
   1. Lineare Kennlinie: Kommt praktisch nicht vor, hat die Funktion: I_a = a + bx (zB. bei I_a=16mA; 12mA; 8mA; 4mA; 0mA). Die Variablen c, d und e sind Null.
   2. Quadratische Kennlinie: Ist schon häufiger.
      • Für Gegentaktverstärker wird man versuchen, Röhren mit quadratischer Kennlinie zu finden, da sich hierbei im günstigsten Fall die einzelnen Klirrfaktoren der Röhren aufheben. Sind die Kennlinien und Arbeitspunkte genau gleich, heben sich die geraden Harmonischen gegenseitig auf. Ausserdem ist die dritte Harmonische Null. Theoretisch ist es so möglich, einen Röhrenverstärker mit 0% Klirrfaktor zu bauen.
      • Für Eintaktverstärker sind ebenfalls Röhren mit quadratischer Kennlinie ideal. Hier bleiben allerdings die geraden Harmonischen bestehen, die aber erst den typischen Röhrenklang ausmachen.
        Die Funktion lautet: I_a = a + bx + cx² (zB. bei I_a=25mA; 16mA; 9mA; 4mA; 1mA). Die Variablen d und e sind Null.
   3. Kompliziertere Kennlinie:
      • Für den Einsatz in Gegentaktendstufen müssen die einzelnen Variablen der beiden Röhren so gleich wie möglich sein. Im Idealfall heben sich die geraden Harmonischen gegenseitig auf. Die übrig bleibende dritte Harmonische sorgt dann für den berühmten Röhrenklang.
      • Bei Eintaktverstärkern bleiben alle Harmonischen bestehen. Der Röhrenklang ist hier am stärksten. In der Praxis wird man versuchen durch eine Gegenkopplung die Verzerrungen etwas zu auszugleichen.
        Die Funktion lautet: I_a = a + bx + cx² + dx³ + ex⁴
5. Hier kann ein beliebiger Punkt der U_g1-I_a-Kennlinie berechnet werden. Dazu brauchen Sie nur die Steuergitterspannung oder den Sinuswinkel der Eingangsamplitude eingeben (Eine ganze Amplitude entspricht 360°).

Auf dem Blatt "Grafik" wird die U_g1-I_a-Kennlinie dargestellt, und "Spektrogramm" zeigt das Verhältnis der Grundwelle zu ihren Oberwellen. 

Die Berechnungsmaske wurde nach den Angaben des Buches:

Hochfrequenztechnik II, Elektronenröhren und Verstärker, J. Kammerloher, 7. Auflage 1958, C. F. Winter'sche Verlagshandlung / Füssen

erstellt, wo sich auch alle theoretischen Grundlagen samt Beispielen befinden.
Diese Anleitung und die Berechnungsmaske unterliegen dem Schutz des Urheberrechtes. Urheber ist H.-T. Schmidt. Für Fehler übernehme ich keine Gewähr.

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