Eigenschaften von Isolierstoff Boards


Bei meinem letzten Bauprojekt eines Röhrenverstärkers fiel mir nach der Fertigstellung auf, dass auf dem Eingang offenbar eine Gleichspannung lag. Das Volume Poti der Gitarre machte beim Betätigen Kratzgeräusche. Effekte mit "True Bypass" gaben beim Umschalten plötzlich laute Knacker von sich.

Der erste Verdacht fiel auf die Eingangsröhre, eine 12AY7. Aber auch nach Entfernen der Röhre war eine Gleichspannung an den Kontakten eines eingestöpselten Gitarrenkabels messbar. Nach einigem Überlegen war klar, dass über das verwendete Board Fehlerströme fließen. Die Messungen -ohne streng wissenschaftlichen Anspruch- bestätigen und erklären offenbar diesen Verdacht...

Strompfad
Verdrahtung Eingangsstufe

Das nebenstehende Bild zeigt die Verdrahtung der Eingangsstufe des Verstärkers. Der Fehlerstrom findet offenbar seinen Weg von dem Lötstützpunkt der beiden 100K Anodenwiderstände über das Board zum Lötstützpunkt der beiden 68K Mischwiderstände und von dort weiter über die 1M Gitterableitwiderstände nach Masse. Um beispielsweise eine Spannung von 1V am Gitterableitwiderstand abfallen zu lassen, genügt ein Fehlerstrom von nur 1uA.

Im Betrieb fällt die Spannung allerdings kleiner aus, da parallel zu dem 1M Widerstand der Wiederstand der Gitarre, bzw. des vorgeschalteten Effektgerätes liegt.

Der Gitterableitwiderstand hat die Aufgabe, Elektronen, die auf ihrem Weg durch die Röhre auf das Gitter aufprallen, gegen Masse abzuleiten. Dieser Strom ist so klein, dass er normalerweise nur zu einer sehr geringen negativen Spannung am Gitterwiderstand führt (...einige Schaltungen nutzen diesen Gitterstrom aber auch und erzeugen die Bias Spannung, indem sie den Gitterwiderstand so groß machen, dass sich nun eine entsprechende Bias Spannung einstellt). Da am Widerstand praktisch keine Spannung abfällt, liegt das Gitter effektiv an Masse. Der Kathodenwiderstand sorgt dafür, dass die Kathode der Röhre auf positivem Potential liegt - um diesen Wert ist das Gitter also negativ gegenüber der Kathode: Der Arbeitspunkt ist damit eingestellt.

Die in dem geschilderten Fall auftretende Fehlerspannung ist positiv und verschiebt nun den über den Kathodenwiderstand eingestellten Arbeitspunkt der Röhre (...das Gitter liegt eben nicht mehr auf 0 Volt)


Eingangsstufe
Aufbau der Eingangsstufe
(...zur Zeichnung 180° gedreht)
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Um die Eigenschaften des Boards messen zu können, habe ich folgenden Versuchs Aufbau gemacht:


Skizze Messung
Skizze des Versuchs Aufbaus

Von einem Rest des verwendeten Boards habe ich ein Stück abgesägt. In diese Probe habe ich im Abstand von ca. 15mm zwei Lötstützpunkte genietet. An den linken Stützpunkt habe ich ein Gleichspannung von ca. 400V gelegt (...Einweg-Gleichrichtung mit Lade Elko). Zwischen den zweiten Stützpunkt und Masse habe ich einen 1M Widerstand gelötet. Parallel zum Widerstand messe ich die daran abfallende Spannung. Man könnte natürlich auch direkt den Fehlerstrom messen. Ich habe diese indirekte Messung gewählt, weil sie a) dem tatsächlichen Szenario in dem beschriebenen Verstärker entspricht und b), weil die erwarteten Ströme im uA-Bereich am untersten Ende dessen liegen, was mein Messgerät anzeigen kann. Damit die Spannungsmessung nicht verfälscht wird, muss das Voltmeter unbedingt sehr hochohmig sein!

Zum Messen reicht es, den Kondensator kurz zu laden und dann den Trafo vom Netz zu nehmen. Bei der Messung wird die Gleichspannung dann nicht mehr von Resten der Wechselspannung überlagert und der Kondensator (16uF/450V) entlädt sich ja nur sehr langsam.



Angelegte Spannung
Die Gleichspannung ist angelegt (Messbereich 1000V=)

Der Kugelschreiber unter dem Board sorgt übrigens dafür, dass die beiden Lötstützpunkte in der Luft hängen und keinerlei Kontakt zur Arbeitsfläche haben. Wir wollen ja nicht die Leitfähigkeit der Holzes messen...  ;-)


Fehlerspannung
Die gemessene Fehlerspannung (Messbereich 2V=)

Wie man auf dem Bild sieht, fällt an dem Widerstand eine Spannung ab, obwohl er am oberen Ende lediglich mit dem Lötstützpunkt verbunden ist. Der auftretende Strom muss über die Strecke zwischen den beiden Turrets fließen.



Fehlerstrom
Messung des Stroms (Messbereich 20mA)

Den auftretenden Strom kann man messen, indem man den Widerstand mit dem Amperemeter bypasst. Der Innenwiderstand des Multimeters ist, verglichen mit dem Wert des Widerstandes, ja sehr viel kleiner. Die Messung liegt im erwarteten Bereich, wobei das Messgerät die letzte Stelle der Anzeige offenbar rundet.

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Wie man sieht, ist es für ein gutes Ergebnis nicht unerheblich, welches Board man verbaut. Die Isolationseigenschaften der verschiedenen Typen unterscheiden sich stark.


Prüflinge
Prüflinge von unterschiedlichen Boards

Für meine Versuche standen mir zur Verfügung (v.l.n.r.):

Typ:
Spannung am 1M Widerstand:
1.)
Epoxy* Board (hellbraun, gewebeartige Struktur))
2.3V
2.)
Epoxy* Board (...andere Charge, dunkelbraun)
1.6V
3.)
Pertinax Board
0.016V
4.)
Fiber Board
[nicht messbar]
* Händlerangabe

Das Board 2.) ist auf den Fotos mit den Messungen zu sehen. Das Material 1.) und 2.) ist für hochohmige Schaltungen nicht zu gebrauchen. (Hier die mir vorliegenden Angaben zum Material)

Das Pertinax 3.) war von seinen Eigenschaften etwa 100-150x besser, verglichen mit 1.) und 2.). Am Widerstand war eine Spannung von ca. 16mV messbar. Hier sind sicherlich keine akuten Probleme zu erwarten. Über die Langzeit-Stabilität kann ich allerdings nichts sagen. Ausserdem kann Pertinax -wie ich gelesen habe- Formaldehyd und Phenol ausdünsten...

Bei dem Board 4.) konnte ich mit meinem Multimeter keinen Fehlerstrom / keine Fehlerspannung mehr messen. Dieses Material habe ich schließlich benutzt. Nach dem Umbau traten bei meinem Amp die eingangs beschriebenen Probleme nicht mehr auf.

Hier zum Schluss noch ein paar Wikipedia-Links zum Thema dieser Seite:

  1. Epoxid Harz
  2. Pertinax
  3. Pertinax Typ "FR-2"
  4. Glasfaser Material Typ "FR-4"
  5. Kriechstromfestigkeit
  6. Leckstrom/Kriechstrom
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Fazit:

Wie eingangs gesagt: Die einzelnen gemessenen Spannungen/Ströme unterliegen sicherlich -wie sich aus der dokumentierten Versuchsanordnung leicht erschließt- Messfehlern (...differierender Abstand der Lötstützpunkte, ungenaues Messgerät, etc). Aber sie erklären grundsäzlich die Entstehung der beschriebenen Phänomene (Gleichspannung).

Es macht also Sinn, das Material des Isolier-Boards vor dem Bau des Amps auf seine Eignung hin zu testen. Im Nachhinein bleibt einem bei einer unglücklichen Wahl ggf. nur der Weg der "Totaloperation" (...wie ich jetzt ganz praktisch lernen musste ;-) ) Der Händler konnte meiner Argumentation übrigens folgen und hat mir die meisten Teile ersetzt.

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