Gitarreneffekt mit 1SH29b Mini-Röhre

Zusammenfassung und Inhaltsverzeichnis

Dieser Artikel beschreibt die Verwendung einer 1SH29b-Miniaturpentode als Gittarreneffektgerät. Dabei wird die Energieversorgung der Anondenspannung und der Heizung direkt aus Batterien realisiert. Die Röhre wird als Pseudo-Triode betrieben, hierzu wird die Kennlinienschaar der Triode vorher vermessen.

Allgemeines

Die russische miniatur-HF-Pentode 1SH29b (Transkription der kyrillischen Bezeichnung 1Ж29Б) ist relativ günstig zu beschaffen, vermutlich da diese Röhren in Russland häufig verwendet wurde.

Technisch hat die Röhre den Vorteil, dass diese mit relativ geringen Anodenspannungen bereits funktioniert. Leider sind alle Datenblätter auf Russisch und entziehen sich damit dem Verständnis. Jedoch gibt es bereits einige Webseiten auf welchen Schaltungen auf Basis der 1SH29b gezeigt werden. Besonders ist hierbei der Einsatz in neueren Hammond-Orgeln zu nennen, um diese wieder auf "klassischen" Röhrensound zu trimmen.

Im Rahmen von Experimenten mit der Röhre kam ich auf die Idee eine Kennlinie der Röhre im Pseudo-Triodenmodus (Wenn das Schirmgitter direkt mit der Anode verbunden ist) aufzunehmen. Aus dem resultierenden Kennlinenfeld zeigte sich die Möglichkeit die Röhre mit Batterien zu versorgen und diese als Verstärker bzw. Verzerrer-Stufe in Gitarrenvorverstärkern zu verwenden.

Kennlinien der Pseudo-Triode

In der folgenden Abbildung wird ein Messaufbau zum Aufnehmen der Trioden-Kennlinie gezeigt.

Die Anodenspannung Ua wird durch ein Labornetzteil mit 0..30V angelegt. Der Anodenstrom wird mittels eines Multimeters des Types Unigor 6e gemessen. Die Heizspannung von 1,2V wird von einem Labornetzteil bereitgestellt. Die Gittervorspannung wird durch "anheben" der auch gleichzeitig als Heizung dienenden Kathode realisiert. Dies Kathodenvorspannung entspricht damit -Ug.

Die folgenden Tabellen zeigen die gemessenen Punkte der Kennlinie. In Anlehnung an die im Datenblatt zu findende Kennlinie wurden die Arbeitspunkte (Ug1=0V, -0,55V -1V und -1,5V) gewählt.

Ia/mA
Ua/V Ug1=0V Ug1=-0,55V Ug1=-1V Ug1=-1,55V
1 1·10-05 1·10-05 1·10-05 1·10-05
2 2·10-05 2·10-05 2·10-05 2·10-05
4 0.0005 4.5·10-05 4·10-05 4·10-05
6 0.0029 0.000105 6.5·10-05 6·10-05
8 0.015 0.0037 0.00012 8·10-05
10 0.037 0.0135 0.000265 0.00011
12 0.082 0.034 0.0077 0.000165
14 0.155 0.074 0.0205 0.0033
16 0.255 0.14 0.045 0.0079
18 0.39 0.255 0.087 0.018
20 0.55 0.34 0.152 0.0435
22 0.74 0.48 0.24 0.075
24 0.98 0.65 0.35 0.132
26 1.2 0.85 0.49 0.2
28 1.5 1.1 0.65 0.3
30 1.85 1.35 0.84 0.43

Diese Darstellung ist leider nicht ganz eingängig und daher wurde die Kennlinie noch einmal graphisch dargestellt.

Die Abbildung zeigt die Triodenkennlinien der 1SH29b.

Funktionsbeschreibung

Kennlinie der 1SH29b in Triodenschaltung mit Arbeitsgerade und Arbeitspunkt

Zunächst wird eine Arbeitsgerade in die Kurvenschaar gelegt. Diese beginnt bei Ua=3*9 V=27 V, der Spannung welche drei 9V-Blocks bringen. Um eine hohe Verstärkung zu erzielen wird die Arbeitsgerade möglichst flach in die Kennlinie gelegt, denn eine kleine Änderung der Eingangsspannung (Ug1) erzeugt dabei eine möglichst große Ausgangsspannungsänderung (Ua). Bei einem Kurzschlussstrom Iak=0,4 mA fließt ein einigermaßen messbarer Strom und die Verstärkung wird ca. 10 sein.

Daraus ergibt sich Ra=Ua/Iak=27V/0,4 mA=67,5 kΩ, der E12-Wert 68 kΩ passt also gut hierhin.

Der Arbeitspunkt wird am Schnittpunkt der Arbeitsgerade und der Kennlinie für Ug1=-1V gewählt. Dieser darf theoretisch überall auf der Arbeitsgerade liegen, aber es empfiehlt sich den AP in die Mitte des aussteuerbaren Bereichs zu legen (dieser wird von den Kennlinie bei Ug1=0V und der X-Achse begrenzt). Damit ist die Röhre in beide Richtungen etwa symmetisch aussteuerbar, das Übersteuern beginnt (hoffentlich) halbwegs symmetrisch. Ferner ist es nützlich den AP auf eine Kennlinie zu legen, so kann man ohne Aufwand die nötige Gittervorspannung ablesen. Auslegung einer Verstärkerstufe

Da der Heizfaden gleichzeitig als Kathode dient kann es u.U. relativ aufwändig sein die Gittervorspannung richtig einzustellen. Da negative Spannungen in der Schaltung nicht einfach zu realisieren sind wird stattdessen die Kathode auf ein höheres Potential gelegt, damit ist die Spannung am Gitter bezogen auf die Kathode negativ. Gängiger und interessanter Trick ist z.B. Anhebung des Kathodenpotentials mittels Halbleiterdioden (diese haben ja je nach Material und Typ verschiedene Flußspannungen). Es wurde jedoch hier im Sinne der Entkopplung der Betriebsparameter und Energiesparens für den mobilen Einsatz ein anderer Ansatz verfolgt: Die Heizung wird direkt aus 1,2V NiMh-Akkus gespeist und ist nicht direkt mit der Gerätemasse verbunden. Somit wird für jede Verstärkerstufe ein eigener Akku fällig. Gleichzeitig wird damit die Bereitstellung der Heizspannung einfacher, da hier sonst 1V+1,2V=2,2V Heizspannung benötigt würde welche etwas schwieriger zu beschaffen ist (2x1,2V=2,4V, dann eine Shottky-Diode mit 0,2..0,3V Spannungsabfall...).

Der Heizstrom liegt irgendwo zwischen 60 und 70 mA, das macht bei einer Mignon-Akku-Zelle mit 2500mAh eine Betriebszeit von >30 Stunden, was ausreichen sollte.

Der Arbeitspunkt wird durch einen Widerstand zwischen der Kathode (Pin 1) und Masse eingestellt. Dieser wird vom Strom am Arbeitspunkt (Mit einem roten Kreuz in der Kennlinie markiert) durchflossen, der Strom beträgt etwa 0.1mA. Mit einer Gittervorspannung von etwa -1V ergibt das Rk=-Ug/Ia=10 kΩ. Dieses Vorgehen ist der Dimensionierung einer Transistorstufe mit Stromgegenkopplung sehr ähnlich.

Allerdings wirkt die Stromgegenkopplung selbstverständlich auch auf das Wechselstromsignal was die Verstärkung herabsetzt. Dies kann durch parallel schalten eines Bypass-Kondensators verhindert werden. Dessen Wert kann über die Betrachtung der Eckfrequenz eines RC-Tiefpasses abgeschätzt werden: ωg=1/(R·C), damit wird dann C=1/(R·ω) mit bekanntem R=Rk=10k. Es wird fg=50 Hz gewählt und so wird ωg=2·π·fg=314 s-1 woraus folgt C=318 nF. Zur Sicherheit wird etwa mit dem Faktor 10 überdimensioniert und C2=2,2 μF gewählt.

Um das Signal der Gitarre (etwas 100mVrms) in den Bereich zu verstärken in dem die Röhre beginnt zu verzerren (etwa ab 2Vpp=~707mVrms) wird diese Verstärkerstufe kaskadiert. Zur Entkopplung und als Lautstärke/Drive-Regler wird ein normaler Siliziumtransistor (BC847, SMD) als Emitterfolger geschaltet und ein 10k-Potentiometer als Lastwiderstand verwendet. Da der Schleifer einen DC-Gradienten aufweist kann es leicht zu Kratzen beim Verstellen des Potis kommen, daher wird dies evtl. in der nächsten Nacharbeit durch ein DC entkoppeltes Poti ersetzt.

Nun sind noch die beiden Stufen mit einander zu Koppeln. Dazu könnte man einfach eine kapazitiv ausgekoppelte Verbindung zwischen den beiden Stufen herstellen. Jedoch ist die Anbringung eines Potentiometers dann etwas schwieriger, da dieses mit einem Kondensator gegenüber der Gleichspannung ausgekoppelt werden muss, einen Widerstand von mindestens 10x Ra haben sollte um die Vorgelagerte Stufe nicht zu sehr zu belasten. (Ja der Ansatz vereinfacht es etwas grob, eigentlich die Gleichung der Ausgangsimpedanz deutlich komplexer aber es reicht eine Überdimensionierte Schätzung) Daher wurde hinter jeder Stufe des Verstärkers eine Impedanzwandler in Form eines Bipolartransistors in Kollektorschaltung (auch Emitterfolger genannt) geschaltet. Dieser wird wie folgt ausgelegt: Durch Messung wurde eine Ruhespannung von ca. 15V an den Anoden bestimmt, daraus ergibt sich bei einem Spannungsabfall von etwa 0,7V an der Transistor Basis-Emitterstrecke eine Spannung von ca. 14,3V am Emitterwiderstand. Dieser wird zu 10kOhm gewählt. Damit ergibt sich der Emitterstrom zu Ie=14,3V/10kOhm=1,43mA. Dieser Ruhestrom ist plausibel und führt zu einer ausgewogenenen Verlustleistung bei hinreichend kleiner Ausgangsimpedanz (ra~rbe/β, mit rbe~Ut/Ib, Ib=Ic/β und Ut~25mV => ra=25mV/Ic=~17,5Ohm).

Schaltplan des Verstärker/Verzerrer-Effekts

Literatur

$Revision: 1.4 $, $Date: 2012/11/12 18:03:04 $