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Vom SRPP zum SRSE

Teil 3: Konkrete Stromquellen-Schaltungen

 
Im zweiten Artikel der SRPP-Serie haben wir den Einbau einer Stromquelle in unsere SRPP-Schaltung vorgeschlagen, mit der einige wichtige Eigenschaften unseres Röhrenvorverstärkers deutlich verbessert werden konnten. In diesem dritten Teil werden wir einige konkrete Stromquellen- (CCS-) Schaltungen vorstellen und diskutieren.
 
Das Wesen einer Stromquelle
Eine Stromquelle oder CCS (Constant-Current-Source) wird versuchen, den Strom durch einen Abnehmer (Senke) konstant zu halten. Im Gegensatz dazu wollen Spannungsquellen die Spannung über einem Abnehmer konstant halten. Gemäß der einfachen Spannungsteilerregel muss eine Spannungsquelle dazu einen möglichst kleinen Innenwiderstand besitzen, während eine Stromquelle einen möglichst großen Innenwiderstand besitzen sollte. Leider lässt sich in der Praxis keine ideale Stromquelle mit unendlichem Innenwiderstand realisieren, deshalb werden wir im Folgenden ein paar konkrete Schaltungen besprechen und darauf achten, welche Impedanzen in der Praxis erreichbar sind.
 
Eine Triode als Stromquelle
Ein nahe liegender Gedanke ist - schließlich machen wir "in Röhre", eine weitere 6SN7 als CCS zwischen oberer und unterer Triode zu schalten.
 
Der Innenwiderstand der Trioden-CCS berechnet sich vereinfacht als rp der Triode zuzüglich R3, der um das Mü der Triode vergrößert wird. In Summe erreichen wir mit unserer 6SN7 und einem angenommenen Wert für R3 von 470 Ohm eine Gesamtimpedanz von rund 16 bis 17 kOhm.

Damit die SRSE-Schaltung funktioniert, ist ein Innenwiderstand der CCS von mindestens 100 kOhm erforderlich, und den erreicht unsere Röhren-CCS offensichtlich bei weitem nicht.

Natürlich könnte man versuchen, mit einer Pentode als CCS mehr Innenwiderstand zu schaffen, aber es gibt noch ein zweites Problem: Damit das dritte Röhrensystem arbeiten kann, müssen wir die Versorgungsspannung stark erhöhen. Beispielsweise von vorher 300 Volt auf 450 Volt, und das ist hinsichtlich Trafo, Elkos etc. auch kein Vergnügen mehr.

 
Als Stromquelle für unsere Schaltung sind Röhren also nur sehr bedingt einsetzbar; Halbleiter sind an dieser Stelle wesentlich geeigneter.
 
JFET-Stromquelle
Ein JFET (Junction-FET, Sperrschichtfeldeffekttransistor) ist wohl der Halbleiter, der uns Röhrenfreunden am vertrautesten sein dürfte. Verbindet man Gate und Source miteinander und legt eine genügend große Spannung zwischen Drain und Source (Uds), erreicht der Strom durch den Halbleiter einen Maximalwert (im Datenblatt bezeichnet als IDSS). Je negativer das Gate gegenüber der Source wird, desto mehr sperrt ein (n-Channel) JFET. Im Prinzip verhält sich ein JFET also in erster Näherung wie eine Triode, die bei Ugk=0 ihren Querstrom nur noch durch ihren Innenwiderstand rp begrenzt, und den Strom mehr und mehr begrenzt, je weiter man das Gitter negativer gegenüber der Kathode macht.
Dadurch kann man eine JFET-Stromquelle prinzipiell genau so aufbauen wie die Röhren-CCS oben, wenn man einen richtig bemessenen Widerstand zwischen Source und Senke schaltet, und das Gate ebenfalls an diesen Knoten bindet.
 
Die Schaltung zur Rechten zeigt eine mögliche Implementierung. Die Parallelschaltung zweier JFETStromquellen ist übrigens ein netter Trick, die Impedanz weiter zu erhöhen: Ein Rechenbeispiel:

Ein einzelner 2SK170 mit einem IDSS von sagen wir 10 Milliampere stellt im gesamten Zweig den Querstrom von etwa 8.5 Milliampere ein, wenn er mit einem Widerstand von 10 Ohm angespannt wird. Der Impedanz der Stromquelle wird dann knapp 100 kOhm groß.

Verwenden wir aber zwei parallele JFET und setzen R3 und R4 gleich 56 Ohm, um in etwa den gleichen Querstrom wie zuvor zu bekommen, dann erhalten wir eine Impedanz der Stromquelle von circa 160 kOhm.

 
Wenn Sie die Schaltung nachbauen möchten: Es spricht nichts dagegen, denn die Schaltung funktioniert und klingt richtig gut. Es gilt jedoch, ein paar Dinge zu beachten:
  • Typische JFET für diesen Einsatz sind zum Beispiel 2SK170 oder 2SK246. Diese werden in verschiedenen IDSS-Klassen angeboten. Nehmen Sie auf jeden Fall mindestens die BL-Klasse, besser noch die V-Klasse für maximales IDSS. Denn je größer das IDSS, desto größer wird am Ende die Impedanz der Stromquelle.
  • Leider schwanken FET-Parameter wie IDSS oder Steilheit weit mehr, als wir das von unseren Röhren gewohnt sind. Das bedeutet im Klartext, dass Sie die FET entweder auf eine definierte IDSS ausmessen sprich selektieren müssen, bevor Sie sie einsetzen, oder Sie bauen einen JFET in die Schaltung und gleichen mit einem Poti anstelle von R3 oder R4 auf den gewünschten Querstrom ab und ersetzen im Anschluss das Poti mit einem passenden Festwiderstand.
  • Sehr willkommen ist uns die Eigenschaft, dass die JFET-Stromquellen mit einer Handvoll Volt Uds bestens zurechtkommen. Wir müssen also im Gegensatz zur Trioden-CCS die Versorgungsspannung nicht nach oben korrigieren.
  • Ein kleiner Nachteil der JFET ist das sogenannte 1/f-Rauschen. Konstruktionsbedingt zeigen JFET bei kleinen Frequenzen ein relativ hohes Rauschen, das aber mit zunehmender Frequenz auch sehr stark abnimmt.
 
Bei McIntyre haben wir uns bei unserem 6SN7-Preamp gegen eine JFET-Lösung entschieden, sondern bevorzugen eine Stromquelle, die mit bipolaren Transistoren implementiert wird.
 
Stromquelle mit bipolaren Transistoren
So funktioniert die bipolare Stromquelle: Der Stromregler um T1 und T2 ist im Gleichgewicht, wenn der Querstrom durch die Röhren einen Spannungsabfall über R1 von etwa 0.6 Volt verursacht. Würde der Querstrom steigen, erhöht sich die Basis-Emitter-Spannung von T1, folglich fließt mehr Strom durch den Zweig aus T1, R3 und R4. Durch den Spannungsabfall über R3 und R4 erniedrigt sich die Basis-Emitter-Spannung von T2, so dass dieser den Querstrom stärker begrenzt. Das System ist wieder im Gleichgewicht, und der Regelkreis ist wieder geschlossen.

 
Die Schaltung hat einige sehr angenehme Eigenschaften:
  • Mit R1 kann man den Querstrom in gewissen Grenzen frei und vor allem sehr präzise einstellen, denn es gibt mit der BE-Strecke von T1 ein sehr gutes Spannungsnormal. Ein Abgleich oder eine Selektion von Bauteilen wie bei den JFET ist nicht notwendig.
  • Die Stromquelle ist selbstschützend. Wenn sich die Transistoren erwärmen -immerhin sitzen sie in Nachbarschaft der Röhren, dann nehmen sie mit zunehmender Temperatur den Strom zurück und schützen sich so selbst vor Überlastung.
  • In der Disziplin Rauschen nehmen sich JFET und bipolare Transistoren praktisch nichts, wenn man konsequent rauscharme Typen einsetzt. Bipolare Transistoren kennen kein 1/ f-Rauschen wie die FET, das mag ein zusätzlicher kleiner Vorteil sein.
  • Die wichtigste Kenngröße ist natürlich der Innenwiderstand der Stromquelle. Im wichtigen Audioband zwischen 20Hz und 20kHz beträgt sie mindestens 100 kOhm, ist also perfekt geeignet unseren 6SN7-Preamp.
 
Nun sind Halbleiter in Röhrenschaltungen nicht jedermanns Sache. Hier sind sie unserer Meinung nach aber sehr sinnvoll eingesetzt. Zur Erinnerung: Es ist die Stromquelle, die den Eintakt-Betrieb erzwingt, die die Ausgangsimpedanz drastisch reduziert und sogar die röhreninternen Feedback-Mechanismen aushebelt, wodurch sich der Klangcharakter der 6SN7 (ihr sprichwörtlicher Bumms) ungehemmt entfalten kann. Nicht immer aber manchmal sind Halbleiter in Röhrenschaltungen eben doch eine feine Sache.
 
 
Bis zum nächsten Mal,
Ihr Team von McIntyre-HiFi
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