Die Geschichte der Endstufenröhren und ihre Funktionsweise

Endstufenröhren: Was machen sie? Und wie wirken sie sich auf Ihren Ton aus? Hier wird alles erklärt...

Vorverstärkerröhren sind in der Regel Trioden, gelegentlich werden Pentoden verwendet und Tetroden kommen überhaupt nicht vor. Im Gegensatz dazu werden Leistungstrioden selten als Leistungsröhren verwendet, Tetroden und Pentoden sind jedoch weit verbreitet.

Allerdings erfreuen sich Power-Trioden in Hi-Fi-Kreisen großer Beliebtheit, wo ihre vermeintlich überlegenen Klangeigenschaften Vorrang vor purer Lautstärke haben.

Trioden gab es schon seit 1906 und Tetroden gehen auf Walter Schottkys Arbeit an Doppelgitterröhren im Jahr 1919 zurück.

Frühe Tetroden wurden entwickelt, um den Hochfrequenzgang von Trioden zu übertreffen, waren jedoch aus Gründen, auf die wir später noch eingehen werden, nur teilweise erfolgreich. Unterdessen stand in Holland die Röhrentechnik vor einem großen Fortschritt.

Bernard DH Tellegen und Gilles Holst erfanden das Pentodenventil im Jahr 1926, als sie für das Philips Physiklabor in Eindhoven arbeiteten. Mullard war eine Tochtergesellschaft von Phillips und der Name wurde später zum Synonym für die besten Pentoden-Leistungsröhren.

Leistungs- und Vorverstärkerpentoden funktionieren genauso, wie wir in unserem Ratgeber zu Vorverstärkerröhren beschrieben haben. Mit einem negativ geladenen Suppressorgitter, das die durch das Schirmgitter verursachte Sekundärelektronenemission reflektiert, können Pentoden eine weitaus größere Verstärkung erzeugen als Trioden- und Tetroden-Leistungsröhren.

EL34 sind eng mit dem „britischen“ Rockton verbunden, wo ihre kraftvollen Mitten- und Break-up-Eigenschaften von Vorteil sind.

Das bekannteste Beispiel ist wohl der EL34, der in verschiedenen Marshall-, Orange-, Vox-, Selmer- und Hiwatt-Verstärkern verwendet wurde. Diese Röhren sind eng mit dem „britischen“ Rockton verbunden, wo ihre kraftvollen Mittelton- und Break-up-Eigenschaften von Vorteil sind.

Die EL84 mit geringerer Leistung ist eine kleinere Pentode, die ungewöhnlicherweise in die Art von Mini-Neun-Pin-Buchse passt, die normalerweise für Vorverstärkerröhren verwendet wird. EL84s versorgten die Vox AC4, 10, 15 und 30 sowie Marshall 18-Watt- und 20-Watt-Modelle sowie verschiedene WEM-Verstärker mit geringerer Leistung. Unter der US-Bezeichnung 6BQ5 waren sie auch in Gibson-Verstärkern zu finden.

Wie wir letztes Mal beschrieben haben, führt das Schirmgitter der Tetrode dazu, dass Elektronen so hart auf die Anode treffen, dass mehr Elektronen von der Anode emittiert werden. Dieser Sekundäremissionseffekt tritt innerhalb eines bestimmten Anodenspannungsbereichs auf und verursacht eine erhöhte Verzerrung und eine geringere Verstärkung. Wenn die Reaktion des Anodenstroms auf die Anodenspannung der Röhre in einem Diagramm dargestellt wird, ist der Stromabfall oder „Knick“ auf der Kurve deutlich zu erkennen.

Pentodenröhren stellten eine praktikable Alternative dar, aber da die Phillips Corporation das Patent hielt, mussten andere Hersteller Lizenzgebühren zahlen. Stattdessen haben Elektronikingenieure die Tetrode neu konstruiert und dabei sorgfältig ausgerichtete Steuer- und Abschirmgitter aus Drahtspulen verwendet, um den Elektronen einen ungehinderten Weg von der Kathode zur Anode zu ermöglichen.

Sie verwendeten auch negativ geladene Strahlbegrenzungsplatten, um die Elektronen zur Anode zu lenken. Dadurch werden die Elektronen fokussiert, sodass sie zwischen dem Schirmgitter und der Anode konvergieren, bevor sie zur Anode gelangen.

Dieser Konvergenzbereich bildet ein „virtuelles“ Suppressorgitter, um jegliche Sekundäremissionen zur Anode zurückzudrängen und den „Knick“ zu beseitigen, der typisch für Tetrodenröhren ist.

Die in Gitarrenverstärkern verwendeten Tetroden-Leistungsröhren werden genauer als „Beam-Tetroden“, „knicklose Tetroden“ oder „Beam-Leistungsröhren“ bezeichnet. Im Vergleich zu Pentoden, die mit der gleichen Anodenspannung betrieben werden, bleibt der Schirmgitterstrom sehr niedrig, so dass nahezu kein Signalverlust auftritt und die Leistungsabgabe bei geringerer Verzerrung der dritten Harmonischen um bis zu 20 Prozent höher sein kann.

Die Liste der in Gitarrenverstärkern verwendeten Beam-Tetroden ist umfangreich. Die meisten werden mit den 6V6, 6L6, 5881 und 6550 vertraut sein, die in unzähligen in den USA hergestellten Verstärkern sowie in britischen Verstärkern für den US-Markt verwendet werden.

Beam-Tetroden wurden ebenfalls in Europa von Marconi-Osram entwickelt und hergestellt. Zu den klassischen Beispielen zählen der KT66, der in frühen Marshalls verwendet wurde, und der KT88, der in leistungsstarken Marshall-, Hiwatt- und Ampeg-Verstärkern zum Einsatz kam.

Inzwischen können Sie wahrscheinlich erraten, wofür „KT“ steht („knicklose Tetrode“, für alle, die es verpasst haben). Originale GEC KT66 und KT88 sind mittlerweile selten und unglaublich teuer, vor allem weil Hi-Fi-Enthusiasten noch verrückter als Gitarristen sind, wenn es um Vintage-Röhren geht. Mit den klassischen US-Beam-Tetroden lief es ähnlich, aber in beiden Fällen stehen praktikable Optionen für die moderne Produktion zur Verfügung.

Die Verwendung nur einer Endstufenröhre in einem Verstärker wird als „Single-Ended“-Betrieb bezeichnet. Beispiele für Single-Ended-Verstärker sind der Fender Champ (wie abgebildet, nebenstehend), der Vibro Champ und Tweed Princeton, der Vox AC4 und der Carr Mercury.

Im Single-Ended-Betrieb verstärkt die Endstufenröhre sowohl die positive als auch die negative Phase der Audiowellenform. Obwohl selten, verfügen einige Verstärkerdesigns über zwei Leistungsröhren, die im Single-Ended-Modus parallel arbeiten, um mehr Leistung zu erzeugen. Wo aber die Leistung im Vordergrund steht, ist der Push-Pull-Betrieb der Industriestandard.

Im Push-Pull-Modus verstärkt eine Röhre die positive Seite der Wellenform und die andere Röhre verstärkt die negative. Das bedeutet, dass die Endstufenröhren „ruhen“ können, wenn sie kein Signal übertragen, und diese Aufteilung der Arbeitslast ermöglicht es Push-Pull-Verstärkern, Strom effizienter und mit weniger harmonischen Verzerrungen zu erzeugen.

Je nach Leistungsbedarf können Push-Pull-Verstärker Paare, Quartette, Sextette oder sogar Oktette von Leistungsröhren verwenden. Die einzige Bedingung für „Parallel Push-Pull“ ist, dass auf jeder Seite des Audiosignals die gleiche Anzahl von Röhren arbeitet.

Gitarrenverstärker werden normalerweise als Klasse A und AB bezeichnet, aber entgegen dem Anschein ist Klasse A nicht unbedingt besser als Klasse AB. Wenn Endstufenröhren für Teile des Audiozyklus „ruhen“, ist das Klasse AB. In der Klasse A schalten sich die Endstufenröhren nie ab und arbeiten alle kontinuierlich.

Der Class-AB-Betrieb ist effizienter und macht Verstärker lauter und druckvoller. Alle Single-Ended-Verstärker arbeiten in Klasse A, da keine zweite Endröhre die Arbeit teilen muss. Push-Pull-Verstärker können auch in Klasse A betrieben werden, wobei der Fender Tweed Deluxe ein klassisches Beispiel ist.

Diese Klasse-A-Verstärker erzeugen mehr Wärme und sind mit einer sanfteren Übersteuerung und harmonischeren Komplexität verbunden. Aber es ist nicht immer eine einfache „A gegen AB“-Sache, denn Verstärkerdesigner können die Versorgungsspannung und die Vorspannung anpassen, um einen Verstärker irgendwo im Spektrum von A bis AB zu platzieren.

Wenn man die Grundlagen der Vorspannung versteht, sollte klar werden, warum der Austausch von Endstufenröhren nicht mit dem Austausch von Glühbirnen vergleichbar ist und warum man 6V6-Röhren nicht einfach durch 6L6-Röhren ersetzen kann, wenn man mehr Leistung möchte – oder umgekehrt. Die Bias-Einstellung entspricht der Leerlaufdrehzahl eines Autos. Mit anderen Worten, der Pegel, bei dem die Röhre oder der Motor im Ruhezustand tickt.

Im Fall von Röhren bedeutet Vorspannung das Einstellen des Ruhestroms, der durch die Röhre fließt, wenn kein Audiosignal vorhanden ist. Die überwiegende Mehrheit der Röhrenverstärker verfügt über Endstufenröhren, die entweder im Modus mit fester Vorspannung oder im Kathodenvorspannungsmodus arbeiten. Lassen Sie uns also untersuchen, wie jede Methode funktioniert, und die daraus resultierenden Klangeigenschaften besprechen.

Verstärker mit höherer Leistung verfügen in der Regel über eine feste Vorspannungsanordnung, die normalerweise mit strafferen Bässen, sauberem Headroom, mehr Druck und weniger Kompression verbunden ist. Sie finden es in den meisten Fender-, Hiwatt- und Marshall-Verstärkern mit einer Nennleistung von über 20 Watt sowie in praktisch jedem High-Gain-Verstärker.

Der Begriff „feste Voreingenommenheit“ ist jedoch etwas irreführend, da der Punkt, an dem er festgelegt wird, variiert werden kann. Eine Halbwellendiode richtet eine negative Spannung vom Leistungstransformator gleich, der über Vorspannungs- und Gitterwiderstände mit den Steuergittern der Leistungsröhre verbunden ist.

Die negative Vorspannung kann durch Ändern der Widerstandswerte oder mithilfe eines Potentiometers eingestellt werden. In diesem Zusammenhang funktioniert das Bias-Tremolo tatsächlich durch Modulation der Vorspannung, was zu Schwankungen des Röhrenausgangs führt.

Um einen Satz Leistungsröhren vorzuspannen, sind einige technische Kenntnisse erforderlich, die den Rahmen dieses Artikels sprengen würden. Allerdings sollte beim Austauschen der Röhren die Vorspannung überprüft und ggf. neu eingestellt werden, da sie alle bis zu einem gewissen Grad variieren.

Die Vorspannungseinstellung wirkt sich sowohl auf den Klang als auch auf die Lebensdauer der Röhren aus, und jede Röhre verfügt über einen empfohlenen Vorspannungsbereich für jede gegebene Plattenspannung. Der Betrieb einer Röhre am heißeren Ende dieses Spektrums erzeugt mehr Leistung und möglicherweise Verzerrungen. Dies belastet die Anode/Platte und Sie müssen die Röhren regelmäßiger wechseln – vorausgesetzt, dass sie nicht „rot plattieren“ und explodieren.

Cool-Running-Röhren klingen sauberer und sollten länger halten, allerdings empfinden Sie den Klang möglicherweise als etwas steril und uninspirierend. Im Allgemeinen stellen die meisten Techniker die feste Vorspannung so ein, dass etwa 70 Prozent der maximalen Leistung einer Röhre erzeugt werden.

Es gibt immer einen Sweet Spot, daher ist es falsch, Rückschlüsse auf die Klangeigenschaften verschiedener Leistungsröhren zu ziehen, die im Modus mit fester Vorspannung arbeiten, es sei denn, die Vorspannung wird für jeden Satz überprüft und angepasst.

Die Vorspannung der Kathode ist einfacher und bis zu einem gewissen Grad selbstregulierend. Anstatt direkt an Masse angeschlossen zu werden, wie es bei fester Vorspannung der Fall ist, wird die Kathode über einen Vorspannungswiderstand mit einem im Allgemeinen parallel geschalteten Kondensator geerdet.

Röhrenpaare verfügen normalerweise über die gleichen Kathodenvorspannungskomponenten, können aber auch einzeln vorgespannt werden. Zu den Klangeigenschaften der Kathodenvorspannung können zusätzliche Anschlagskompression, sanfte Übersteuerung, harmonisch reiche Mitteltöne und frühes Aufbrechen gehören.

Im Kathodenvorspannungsmodus können Röhren mit nahezu 100 Prozent ihres Leistungspotenzials betrieben werden

Solange der Kathodenwiderstand und der Kondensator einwandfrei funktionieren, kann ein neuer Satz gleichwertiger Leistungsröhren die alten ersetzen, ohne dass eine Vorspannungsprüfung erforderlich ist. Allerdings ist es angesichts der heutigen Kosten für Röhren nie eine schlechte Idee, die Vorspannung zu überprüfen.

Im Kathodenvorspannungsmodus können Röhren mit nahezu 100 Prozent ihres Leistungspotenzials betrieben werden. Typische Beispiele für Verstärker mit Kathodenvorspannung sind alle Tweed-Deluxe-Modelle von Fender, der Vox AC10, AC15 und AC30 sowie Marshall 18 Watt. Zu den modernen Beispielen im Vintage-Stil gehören die Modelle J10 und J20 von Lazy J sowie verschiedene Angebote von Marken wie Carr, Matchless und Swart.

Leistungsschalter werden bei Verstärkern immer häufiger eingesetzt, und Pentoden können so umkonfiguriert werden, dass sie als Trioden arbeiten, um einen Energiesparmodus zu erreichen. Mit anderen Worten: Wenn man die Schirm- und Suppressorgitter der Pentode aus dem Stromkreis nimmt, verbleiben nur noch die Kathode, die Anode und das Steuergitter als aktive Komponenten.

Diese Methode der Leistungsreduzierung kann einer integrierten oder externen Dämpfung vorzuziehen sein und hat relativ gesehen nur geringe Auswirkungen auf den Klang eines Verstärkers.

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Huw begann in Aufnahmestudios und arbeitete als Toningenieur und Produzent für David Bowie, Primal Scream, Ian Dury, Fad Gadget, My Bloody Valentine, Cardinal Black und viele andere. Sein Buch „Recording Guitar & Bass“ wurde 2002 veröffentlicht und bald folgte eine freiberufliche Karriere als Journalist. Er hat Rezensionen, Interviews, Workshops und technische Artikel für Guitarist, Guitar Magazine, Guitar Player, Acoustic Magazine, Guitar Buyer und Music Tech geschrieben. Er hat auch zu mehreren Büchern beigetragen, darunter The Tube Amp Book von Aspen Pittman. Huw baut und wartet Gitarren und Verstärker für Kunden und ist auf die Vintage-Restaurierung spezialisiert. Er berät Gerätehersteller und lässt sich gelegentlich auch wieder ins Studio locken.

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