Dampfradioforum

Eine der häufigsten Reparaturen, die wir bei unserem Hobby durchführen, ist sicher der Ersatz von Kondensatoren. Oft sind es eben Koppel- und Emitter- bzw. Kathodenkondensatoren, die erneuert werden müssen.

Nun hat man manchmal nicht den originalen Bestückungswert als Ersatz zur Hand und die Faustformel besagt ja wohl, dass der Koppelkondensator bei Röhrenschaltungen besondere Beachtung hinsichtlich seiner Spannungsfestigkeit bedarf; der kapazitive Wert von Koppel- und Kathodenkondensator wird häufiger als weniger kritisch betrachtet, obwohl doch diese Art der Kopplung den Frequenzdurchlass - außer durch den Eingangs- und Ausgangswiderstand der gekoppelten Glieder - eben durch die frequenz- und kapazitätsabhängige Größe des Bauteils, also durch die Veränderung seines Blind- oder Scheinwiderstandes beeinflusst.

http://haggenmiller.name/resources/kopplng.pdf

Für mich als Laie, der einen original mit 0,022 uF dimensionierten Koppelkondensator z.B. durch einen Wert von 0,015 uF ersetzt oder einen original mit 250 uF dimensioniertenKathodenelko z.B. gegen einen 470 uF tauscht, stellt sich die Frage, ob es eine einfache Antwort (Schätzung) für die Dimensionierung dieser kapazitiven Koppelglieder ohne genaue Berechnung der genannten Formeln und Kenntnis aller Parameter gibt

Also einfach die Frage: Wie und etwa in welchem Umfang wird sich der Frequenzdurchlass (untere Grenzfrequenz) durch einen NF-Verstärker verändern, wenn ich um etwa bis zu 50% veränderte Kapazitätswerte in der Kopplung einsetze.

Dass dies in der HF-Technik eine ganz andere Rolle spielt ist bekannt und auch, dass einen ja keiner dazu zwingt, abweichende Kapazitätswerte zu benutzen

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mit besten Grüßen

Darüber habe ich mir nie Gedanken gemacht. Faustformeln, Berechnungsformeln... wenn Sie die suchen,kann ich Ihnen heraussuchen, aber ich denke, das wird kaum nötig sein.

Sie fanden ja die Koppelkondi- Berechnung mit der Ersatzschaltung des Transistorverstärkers- für die leistungslos gesteuerte Röhre ist naturgemäß ein vergleichsweise extrem hoher Eingangswiderstand in Rechnung zu stellen.

Ich würde mir kaum die Mühe machen, die gesamten Berechnung durchzuführen, sondern in den zahllosen vorhandenen Schaltungen nach der Dimensionierung schauen- nur wenn man wirklich außergewöhnlich hohe und niedrige Frequenzen übertragen möchte -HiFi- Verstärker- kann man von Grund auf beginnen. Aber auch für diesen Anwendungsfall gibt es zahllose Schalt- und Dimensionierungsbeispiele.

Da liegt der Hase im Pfeffer- Röhrenradios waren nie auf extrem weite Frequenzbereiche dimensioniert, schon wegen des Aufwands für die Netzsiebung, die Radiosender hatten schon eine Begrenzung des Frequenzbands, die Lautsprecherbestückung sollte sich von Aufwand und Preis her im Rahmen halten, und: Für einen guten Klang -und der wird Röhrenradios bis heute nachgesagt- ist ein extrem weiter NF- Bereich überhaupt nicht nötig !

Die Beeinflussung der NF- Bereiche durch Kapazitätsänderung von guten Koppelkondensatoren ist vernachlässigbar- heutige Kondis ändern ihre Kapazität vielleicht in Bruchteilen eines Prozents.
Es fallen alle alten Papierkondis aus der Diskussion, da muß man sich nicht mehr die Mühe des Messens machen, die sind ungesehen zu 100 % einfach nur noch Schrott. Allenfalls in niederspannungsbeschlagenen, niederohmigen Lautsprecherweichen können die noch lange Dienst tun.
Die Beeinflussung durch Anpassung an heutige Normreihen bei Kondensatorenwechsel ist ebenfalls vernachlässigbar.
Das gilt auch für heutige Elkos, die sind heute enger toleriert, als zu Zeiten der Röhrenradios.

Sollte jemand dennoch einen Unterschied bei Kondensatorwechsel (mit heutigen, guten Bauelementen) hören, das wird ja in HiFi- Foren oft behauptet- möge er dies im Blindtest beweisen- ich denke, kein Mensch hat so ein Gehör.

Edi

Danke Ihnen für die Antwort, Edi.

ich dachte nicht, dass es derart unwesentlich sein sollte, welche Werte man da nun einsetzt, da ich ja auch nicht annehmen konnte, dass die Entwicklungsabteilungen für solche NF-Geräte nicht willkürlich "erprobte Erfahrungswerte" einsetzten nur weil der Hörer es eh nicht zu diffferenzieren vermochte.
Ich werde es mir einfach an einem Beispiel einmal durchrechnen und dann beurteilen, ob es im physiologischen Hörbereich (eines jungen Hörgesunden) liegt.
Wir hören nicht Infra- noch Ultraschallbereiche, denn mit Walen und Fledermäusen haben wir einiges, nicht aber das für diese Spezies spezifische Hörvermögen gemeinsam. Dazwischen aber hat sich auch für uns in der Tontechnik einiges verändert und der möglichen Begrenzung dieses NF-Hörbereiches durch unsere Eingriffe in die ehemals berechneten Schaltungen wollte ich halt einmal im Rahmen unseres Hobbys nachgehen.

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mit besten Grüßen

Die Grenzfrequenz einer Kopplung verändert sich umgekehrt proportional zur Kapazität des Koppelkondensators.

Schaltungstechnisch handelt es sich dabei um einen Hochpaß erster Ordnung.

Da in einem NF-Verstärker oft mehrere Kopplungen vorhanden sind, verändert sich die untere Grenzfrequenz des kompletten Verstärkers nicht zwingend, wenn eine Koppelkapazität verändert wird. Die höchste Grenzfreqenz dominiert. Nehmen wir an, ein NF-Verstärker habe zwei Koppelstufen mit den unteren Grenzfrequenzen 100 Hz (a) und 30 Hz (b). Dann ist seine untere Grenzfrequenz 100 Hz, egal ob die Koppelstufe (b) 20 Hz oder 50 Hz hat.

Gruß, Frank

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Es muss nicht immer alles Sinn machen. Oft reicht es schon, wenn's Spaß macht.

@Stereowaage...
Ich kann aus meinem Text nicht herauslesen, daß die Größe eines Kondensators unwesentlich ist.
Die wurden größtenteils berechnet, aber teils sicher auch nach Erfahrungswerten gesetzt, wozu das Fahrrad 2mal erfinden... Röhren- und Transistorhersteller gaben Applikationsbeispiele vor (z. B. das berühmte Röhrenbuch von L. Ratheiser), oft wurden die genau so, oder mit sehr geringen Änderungen, übernommen.

Ich schrieb ja, wenn Sie Formeln benötigen, können Sie die bekommen.
Wenn Sie dann feststellen sind, daß in der Schaltung ein Koppelkondensator von 19, 5 nF hineinmüßte- können Sie diesen Wert exakt zusammenstellen... oder wie üblich, den nächsten Normwert, 22 nF, nehmen.
Und genau das... taten Hersteller auch. Nur selten werden exakte Werte zusammengesetzt.

Rechnen Sie aus, wie die Differenz die Grenzfrequenzen verändert, und ob die überhaupt gefordert sind, und ob eine Differenz im Bereich datzwischen hörbar sein wird.

Ich schrieb nicht, daß irgendwelche Werte eingesetzt wurden, weil der Hörer Unterschiede nicht differenzieren kann.
Es kommt zwar auf den speziellen Einsatzort eines Bauelements an, aber in NF- Verstärkerstufen ist ein Ersatz durch einen nahen Normwert nahezu immer ohne hörbaren Unterschied, oder gar Qualitätsverlust, möglich.
Und was ein Testhörer differenzieren kann, kommt auf die Differenzen der Testkandidaten an.
Mein Satz bezog sich auf den Ersatz von Kondensatoren, z. B. 5 nF (alt) gegen 4,7 nF (neu), 20000 pf gegen 22 nF, oder 50 MüF gegen 47 MüF- den Unterschied wird niemand hören, bei Koppelkondensatoren nicht, und ich denke, auch bei Kondis in der Klangregelung nicht.

Der Übertragungsbereich einer Bauelemente- Kombination mit dem Koppelkondensator liegt selbstverständlich den physiologischen Hörbereich eines jungen Hörgesunden.
Wie geschrieben- zur Röhrenzeit war nicht unbedingt ein extremer Frequenzbereich erwünscht !

Daß wir das Hörvermögen von Tieren nicht haben, ist mir bekannt.
Daß Verstärker heute oft in der Lage sind, bis in diese Bereiche zu arbeiten, heißt nicht, daß es für Tiere, oder gar Menschen, die soweit hören könnten, gemacht wurde.

Ja, die Tontechnik hat sich verändert, und ermöglicht Kennwerte, die in der Röhrenzeit nicht möglich waren.
Dennoch gelten Röhrenradios als Geräte mit sehr gutem Klang. Das hat seinen Grund.

Edi

Dank an euch, Frank und Edi,

ich habe dies soweit verstanden und durch das Lesen weiterer interessanter Links, z,B.

http://www.elektroniktutor.de/analog/verst_e.html#fgu

vertiefen können, (hier insbesondere Einfluss der unteren Grenzfrequenz im Hochpass durch Einkoppel- und Emitterkondensator).

Allen einen schönen dritten Adventssonntag!

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mit besten Grüßen

Ja, Stereowaage, wenn Sie mal durchrechnen... ich habe nicht die Zeit dazu, wäre schön, wenn Sie die Ergebnisse zur Diskussion stellen.
(Ich dachte, Sie suchen speziell für Röhre ? Aber für Transi ist auch ok.9

Ihnen, und natürlich allen Mitlesern einen schönen 3. Advent !



Edi

So ist es.
Betrachtet man den Fall isoliert mit Gitterableitwiderstand 1,8M und den Wechsel des Koppel-C von 22nF auf 15nF:
fu = 1 / (2 π R C) - ob nun 5Hz oder 7Hz ist sicher für diese NF-Anwendung nicht von Bedeutung.
Nach einer Faustformel, angewandt für den Fall dieser einen Entpentode, halbiert sich Fu bei Rk=150 Ohm beim Wechsel von Ck=250uF auf 470uF (um 2Hz).
Interessant wird das Thema sicher bei Betrachtung aller Kopplungsvorgänge in den angewandten Stufen, der Dimensionierung der Kathodenelkos in der Absicht den optimalen Arbeitspunkt der Röhre beizubehalten und dem möglichen Schwingungsverhalten von Verstärkern.
Hierzu findet man gute Erklärungen bei Freunden - und im Internet.

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mit besten Grüßen

Faustformel Ck = 159 / Fu * Rk (uF, Hz, Kohm) [Quelle: "Wie gross sollte der Elko in der Katode einer (SinglePower)
Eintakt-Endstufe sein?" Hans M. Knoll 21.11.2007]

Zur Verwendung der ECLL800 (und der dort eingesetzten Kapazitäten) s. auch:
http://www.jogis-roehrenbude.de/Verstaerker/ECLL800.htm

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mit besten Grüßen

Die untere Grenzfrequenz einer Endröhre mit Kathodenkondensator ist wirklich komplexer zu berechnen als die eines Hochpasses.

Zur Definition "Grenzfrequenz": Das ist üblicherweise eine Frequenz, an der die maximale Verstärkung um 3 dB (d. h. auf 70,7%) gesunken ist. Ein normaler NF-Verstärker hat im Bereich um 1 kHz einen linearen Frequenzgang und auch die höchste Verstärkung.
Die untere Grenzfrequenz der gesamten (Endstufen-)Verstärkerschaltung wird im Wesentlichen durch die Steilheit der Röhre (siehe Datenblatt), Kathodenwiderstand und Kathodenkondensator bestimmt.

Die Kleinsignalverstärkung einer Pentode hängt von ihrer Steilheit ab. Die Steilheit besagt, wie stark sich der Anodenstrom ändert, wenn sich die Gitter-Kathoden-Spannung um einen bestimmten Wert ändert. Bei einer EL84 steigt der Anodenstrom um 11,3mA, wenn sich die Gitterspannung um 1 V erhöht --> Steilheit = 11,3mA/V.
Nehmen wir einen Anodenwiderstand von 500Ω an (Eingangswiderstand eines Übertragers), so erzeugen diese 11,3mA eine Spannungsdifferenz von 5,65V, also ist die Spannungsverstärkung 5,65V / 1 V = 5,65 .

Diese Verstärkung hat die gesamte Röhrenschaltung bei 1kHz, weil dort die Kondensator/Widerstand-Kombination eine so geringe Impedanz (sprich "Widerstand aus Wechselstromsicht") hat, daß sie keine Gegenkopplung darstellt.
Fahren wir die Frequenz immer weiter runter, erhöht sich die Impedanz des Kathodenkondensators. Damit vergrößert sich die Gegenkopplung, und die Verstärkung sinkt. Irgendwann erreichen wir die untere Grenzfrequenz.

Wo liegt diese nun?

Ich habe mir mal überlegt, wie man den Frequenzgang am besten durch ein Netzwerk charakterisieren könnte, das Kathodenwiderstand, Kathodenkondensator und Röhrensteilheit als Bauteile enthält. Von der Maßeinheit her ist die Steilheit ein Leitwert, der Kehrwert ist ein Widerstand. Für den Frequenzgang reicht es, wenn man sich Ua/Ue über der Frequenz ansieht.


Ein Blick in einen Grundig 3035: An der Kathode der EL84 sind 170Ω parallel 50µF angeschlossen. Da sich auch der Schirmgitterstrom mit der Gitter-Kathoden-Spannung ändert, müssen wir auch diese Steilheit berücksichtigen. Der Wert von Rs bildet sich also aus der Addition von Anodensteilheit + Schirmgittersteilheit (1,3mA/V bei Ia=48mA, siehe Datenblatt), das sind (11,3 + 1,3)mA/V = 12,6mA/V entsprechend (88,5 // 770)Ohm = 79 Ohm.

Hier ist die Übertragungsfunktion der Ersatzschaltung, (Rs ist hierbei die Parallelschaltung der obigen Widerstände Rsa und Rsg2):

Das Ergebnis ist eine komplexe Zahl. Der Maximalwert ist 1 + j0 bei ω = 0. Zur Berechnung der Grenzfrequenz überführt man die Formel in die Polarkoordinatendarstellung, weil nur der Betrag interessiert. Jetzt setzt man die linke Seite der Gleichung auf 0,707, stellt alles nach ω um und kann die Grenzfrequenz errechnen.
Da ich dazu weder Lust noch Zeit hatte, benutzte ich eine Schaltungssimulation, die das viel schneller kann: das kostenlose Simulationsprogramm "LTSpice IV" von Linear Technology, es wurde im Forum schon einige Male erwähnt.
Die Grenzfrequenz ist ca. 53 Hz. Bei sehr niedrigen Frequenzen, wenn der Kondensator nicht mehr wirksam ist, sinkt die Verstärkung auf -10dB gegenüber hohen Frequenzen. Zumindest dies kann man mit dem Taschenrechner einfach nachvollziehen.

Hier ist das Ergebnis der Simulation, Frequenzgang (linke Skala) und Phasengang (gestrichelt, rechte Skala).


Was passiert mit dem Frequenzgang bei einer Änderung von Kathodenwiderstand, Kathodenkondensator oder Steilheit der Röhre?

1. Bei einem größeren Kathodenwiderstand sinkt die Verstärkung bei niedrigen Frequenzen.
2. Bei einem größeren Kathodenkondensator sinkt die Grenzfrequenz.
3. Bei einer höheren Steilheit steigen die Verstärkungen bei hohen und tiefen Frequenzen an und die Grenzfrequenz steigt.

Von 1. und 3. sollte man allerdings die Finger lassen, wenn man die Auswirkungen auf den Arbeitspunkt nicht abschätzen kann.

Wer sich für die LTSpice-Simulation interessiert - hier ist sie incl. Schaltung. Als Text-Datei mit der Endung .asc speichern und mit LTspiceIV öffnen!

Code:

Version 4
SHEET 1 880 680
WIRE 96 16 -16 16
WIRE 304 16 160 16
WIRE -16 96 -16 16
WIRE 96 96 -16 96
WIRE 304 96 304 16
WIRE 304 96 176 96
WIRE -16 176 -16 96
WIRE 304 192 304 96
WIRE 304 192 256 192
WIRE 352 192 304 192
WIRE 256 224 256 192
WIRE 352 224 352 192
WIRE -16 336 -16 256
WIRE 128 336 -16 336
WIRE 256 336 256 304
WIRE 256 336 128 336
WIRE 352 336 352 304
WIRE 352 336 256 336
WIRE 128 352 128 336
FLAG 128 352 0
SYMBOL res 80 112 R270
WINDOW 0 32 56 VTop 0
WINDOW 3 0 56 VBottom 0
SYMATTR InstName Rk
SYMATTR Value 170
SYMBOL res 240 208 R0
SYMATTR InstName Rsa
SYMATTR Value 88.5
SYMBOL cap 96 32 R270
WINDOW 0 22 19 VTop 0
WINDOW 3 50 59 VBottom 0
SYMATTR InstName Ck
SYMATTR Value 50µ
SYMBOL Misc\\signal -16 160 R0
WINDOW 123 -101 104 Left 0
WINDOW 39 0 0 Left 0
WINDOW 3 -152 8 Left 0
SYMATTR Value2 AC AC 1
SYMATTR InstName V1
SYMBOL res 336 208 R0
SYMATTR InstName Rsg2
SYMATTR Value 770
TEXT -168 376 Left 0 !.ac oct 1000 1 10k

Gruß, Frank

Edit 16.12.11: Zwei Korrekturen. Danke, Dirk508!
Edit 18.12.11: Bildhoster gewechselt
Edit 26.12.11: Steilheit von g2 berücksichtigt, mit Simulation

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Rechnen wir mal mit einer Steilheit von 10mA/V.
Bei einem Z von 100 = wäre die Bedingung erfüllt, Sges dann 5mA/V.
Halbe Spannungsverstärkung sind aber -6dB und nicht -3dB.


50µF//170Ohm bei 40Hz -> Z=72Ohm ??




0,5 x 3,7= 1,85

Aber rechnen wir das mal rückwärts.
Delta Ia soll 10mA werden, damit an 500Ohm 5V Änderung entstehen.
Dazu brauchs dann eine Spannungsänderung Ug1k von 1V.
Dies wiederum ändert Ig2 um 2mA.
Delta Uk ist dann also 0,17 x (delta Ia + delta Ig2)=0,17 x (10+2)= 2V.
Die erforderliche Eingansspannung (1V G1-Kathode + 2V Kathode-Masse)beträgt dann 3V.
V=5/3 = 1,67. Laut deiner Formel aber 1,85. Wo liegt der Fehler?




Auch das würde ich nochmal überdenken.

Gruß Dirk

Hallo Dirk,

Rechnung angepaßt, siehe hier.

Danke für Deine Hinweise, ich werde es korrigieren!

Gruß, Frank

Edit 18.12.11: Bildhoster gewechselt
Edit: 26.12.11: Stark gekürzt

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Grad für Laien sollte ein Hinweis erfolgen, dass Z und 1/S nicht linear addiert werden. Wie gezeigt, kann eine Vereinfachung auch zu Fehlinterpretationen führen.





Ne, das war jetzt aber ernst gemeint.
Egal was Du als Steilheit einsetzt, der Kathodenstrom ist immer um den Ig2 größer als der Ia.
Die Verstärkung macht der Ia, die Gegenkopplung aber Ia+Ig2.


Das stimmt nur bei Ig2=0, also bei Trioden. Kannst ja mal ne Simulation machen.

Gruß Dirk

Das wird jetzt schon sehr speziell und führt evtl. zu weit weg vom Hauptthema dieses Threads - sinngemäß "Einfluß von Kondensatoren auf den Frequenzgang".
Ich habe eine passende Antwort, aber wir sollten dies an anderer Stelle weiterdiskutieren, wenn Du willst; vielleicht in einem neuen Thread, und dann können wir für den Einstieg gleich die letzten 4 Posting (incl. diesem) mitnehmen.

@Stereowaage
Christian, was meinst Du, als Thread-Ersteller?

Gruß, Frank

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Damit es nicht unentdeckt bleibt:
Nach einem Gedankenaustausch mit Dirk508 verabschiedete ich mich von dem Gedanken, die Grenzfrequenz einer Standard-Endstufe mit einer einfachen Faustformel berechnen zu können.
Stattdessen habe ich mal eine modellhafte Ersatzschaltung in LTSpice eingegeben. Damit kann man mit unterschiedlichen Steilheiten und Bauteilewerten herumspielen und sich den Frequenzgang ansehen.
http://www.dampfradioforum.de/viewtopic.php?p=88532#p88532

Gruß, Frank

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