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van Pelt Kopfhörerverstärker

Mein erstes Röhrenprojekt – ein Entwicklungskrimi

Sonnenuntergang mit Röhren

Abb. 1: Sonnenuntergang mit Röhren

Herr van Pelt hat Kontakt mit mir aufgenommen - er hat meinen Bericht per Google gefunden. Zum Stromquellenproblem schreibt er folgendes:

I use the transistor current sources since years. In one amplifier I have the problem that in one channel it takes about 2 minutes before the music comes. I don't know whether this is due to the current sources because that amplifier has an experimental output stage too. In other circuits I've never had the problems you described. One difference is that in this design I use ECC82 instead of ECC83.

Vielleicht hängt es mit dem Platinenlayout zusammen, welches erst für den Schaltungswettbewerb entwickelt wurde. Herr van Pelt hat seine Verstärker konventionell verdrahtet. In diesem Zusammenhang möchte ich unbedingt auf seine Webseite [0] hinweisen.

Wie alles begann...

Schon lange wollte ich einmal mit Röhren basteln. Da lag es auf der Hand, dass es ein Audioverstärker sein muss – wohl eines der letzten Anwendungsgebiete, in dem es noch Argumente für diese traditionsreiche Technik gibt. Da ich schon mit dem Bau der transistorbestückten Endstufe „Ulti-Amp“ begonnen hatte, kam kein (zweiter) Endverstärker in Frage. Als ich dann in Elektor 2/96 auf den „Hybriden Kopfhörerverstärker“ [1] von W. A. van Pelt stiess, war schnell klar, dass das mein neues Projekt sein soll. Insbesondere ist es relativ einfach gehalten und vor allem fällt durch die verhältnismässig hohe Impedanz von Kopfhörern der teure und oft schwierig beschaffbare Ausgangsübertrager weg.

Elektor 2/96

Abb. 2: Elektor 2/96 (VGA)

Sovtek ECC 83 und EL-84

Abb. 3: Sovtek ECC 83 und EL-84 (VGA)

Viele Jahre zogen ins Land. Es wurde dann Januar 2003, als ich ernsthaft mit dem Bau begann. Die meisten elektronischen Bauteile waren im Grieder [2] erhältlich; mit Ausnahme von gewissen Elkos, Noval-Röhrenfassungen, Alps-Potentiometer (10 kΩ Stereo logarithmisch als Lautstärkeregler) und schönen Geräteknöpfen. Im Conrad [3] konnte ich die drei letztgenannten Ingredienzien bestellen, doch die beiden Kondensatorbecher mit der Bezeichnung „NSF“ waren unauffindbar. Die Röhren der Marke Sovtek aus Russland haben sind für einen guten Klang und hohe Robustheit bekannt und werden beispielsweise von „Fender“, „Crate“ und „Peavey“ eingesetzt [4].

1. Hürde: NSF Kondensatoren

Diese NSF-Kondsensatoren sind stehend zu montierende Becher mit 2 x 200 μF + 75 μF + 25 μF. Eines Tages wurde mir allerdings von jemand geholfen, der von meinem Projekt auf meiner Homepage las. Dieser wusste, dass „NSF“ „Nürnberger Schraubenfabrik“ (heute AEG-Telefunken) heisst und solche Kondensatoren natürlich kaum mehr erhältlich seien. Ich habe sie folgendermassen ersetzt:

  • 200 μF -> 100 μF + 100 μF
  • 200 μF + 25 μF -> 100 μF + 100 μF
  • 75 μF -> 100 μF

Elkos haben sowieso sehr grosse Toleranzen, deswegen habe ich die Kapazitätswerte grosszügig gerundet. Zudem haben sie bloss Netzbrumm-Siebfunktion.

Ersatz der NSF-Kondensatoren

Abb. 4: Ersatz der NSF-Kondensatoren (VGA)

Trafokistchen

Abb. 5: Trafokistchen (VGA)

Den Netztrafo für die Heizung habe ich in ein separates Stahlblechgehäuse verbannt. Doch der Verstärker selber durfte natürlich nicht in so einem öden Standardgehäuse untergebracht werden – es sollte schon optisch was hergeben. Die Verbindung zwischen beiden Kisten bildet ein fünfpoliges abgeschirmtes Kabel mit Neutrik-XLR- Steckern.

Eine Zarge aus Buchenholzleisten bildet die Grundlage für das Verstärkergehäuse. Unten kommt ein dickes Kupferblech hin, auf das die beiden gestapelten Platinen im Europakartenformat über Abstandshalter befestigt sind. Deckel bildet ein matt schwarz gespritztes Alublech mit sechs Löchern: vier für die Röhren und zwei für die stehenden Ausgangskondensatoren.

Gehäuse des Verstärkers

Abb. 6: Gehäuse des Verstärkers (VGA)

Spiegelung der Röhrenanschlüsse

Abb. 7: Spiegelung der Röhrenanschlüsse (VGA)

Die Probleme

Alles aufgebaut, wollte ich erst mal die Heizspannung überprüfen. Doch da floss gar kein Strom. Die Untersuchung ergab, dass ich das Platinenlayout gespiegelt geätzt habe. Es ist beinahe symmetrisch, ausser den Röhrenanschlüssen. Mit einigen Kabelstückchen auf der Platinenunterseite und der Plazierung der Stromquellen- transistoren auf die Lötseite konnte dieser Missstand behoben werden.

Danach glühten die Kathoden der EL-84 wunderbar auf; der Abgleich auf 6.3 V funktionierte wunderbar. Doch die ECC-83 erhielten einen viel zu hohen Strom. Rechnerisch kann der angegebene Wert von 2.2 O gar nicht stimmen. Mit dem Datenblatt des LM-337 konnte ich dann den richtigen Wert ermitteln: 4.3 O. Damit liess sich der Abgleich dann problemlos vornehmen.

Spannungsregler

Abb. 8: Spannungsregler (VGA)

Brückengleichrichter-Anschlüsse

Abb. 9: Brückengleichrichter-Anschlüsse (VGA)

Als nächster Schritt wollte ich dann die Anodenspannung anlegen, doch eine Vorabkontrolle ergab, dass der Brückengleichrichter falsch angeschlossen war. Auch hier konnte ich mit Drahtstückchen das Platinenlayout korrigieren. Bei dieser Gelegenheit wurde mir die Sache langsam etwas zu bunt und ich baute kurzerhand Schmelzsicherungen für Heizung (2.5 AT) und Anodenspannung (160 mAF) ein - sicher ist sicher. Vermutlich fehlen die Sicherungen im Schaltplan, um die Anzahl Bauteile unter dreissig zu halten (Wettbewerbsbestimmung).

Tatsächlich flog mir nicht die ganze Chose um die Ohren, sonder glimmte vergnügt vor sich hin. Die Messung der Anodenströme ergab 26.60 mA für EL-84 und 2.22 mA für ECC-83. Doch als ich die Spannung an den Cinch-Eingangsbuchsen gegen Erde mass, kamen einmal mehr Zweifel auf: Netzspannung!! Eine kurze Analyse des Schaltplans ergab, dass man diese Schaltung nur potentialgetrennt betreiben darf. Mit viel Glück fand ich einen kompakten 15 VA Trafo, der genau in die Trafobox passte. Dieser transformiert die 9.5 V wieder auf 230 V hoch. Der 25 VA Heiztrafo wird damit voll ausgelastet, aber gerade noch nicht überlastet. Damit das Massepotential des Verstärkers gegenüber Erde definiert ist, verband ich diese beiden über einen Widerstand von 100 Ω

Umbau Trafobox

Abb. 10: Umbau Trafobox (VGA)

Potentialdefinitionswiderstände

Abb. 11: Potentialdefinitionswiderstände (VGA)

Endlich kam der heissersehnte Moment: Ich konnte meinen mp3-Player als Quelle anschliessen und hörte vorsichtig mit einer Uralt-Kopfhörerkapsel das Resultat. Man konnte nach einer langen Vorheizphase tatsächlich so was wie Musik erkennen, allerdings stark verbrummt. Eine Internetrecherche [5] ergab, dass das Potential der Kathodenspannung (hier Gleichspannung!) unbedingt möglichst auf Potential der Schaltungsmasse liegen soll. Eine Verbindung über einen Widerstand von 10 kΩ zeigte schlagartig Verbesserung. Der Brumm ist deutlich leiser geworden. Eine weitere Reduktion konnte ich durch Erdung der Abdeckplatte erreichen, was aus Sicherheitsgründen eigentlich sowieso Pflicht ist. Ganz brummfrei ist der Verstärker dennoch nicht.

Kopfhörer

Endlich konnte ich also meinen Verstärker geniessen. Dazu habe ich mir einen Grado SR-80 angeschafft. Dieser Kopfhörer viel mir beim Hörvergleich bei Kraske [6] sehr positiv auf - und auch der Preis ist ausserordentlich portemonnaiefreundlich: Fr. 198.- Eine gute Lautsprecherbox kostet locker eine Grössenordnung mehr.

Grado SR-80

Abb. 12: Grado SR-80 (VGA)

Temperaturmessung mit IR-Pistole (Raytek Raynger MX)

Abb. 13: Temperaturmessung mit IR-Pistole (Raytek Raynger MX) (VGA)

Einwärmphase, Teil 1

Zufrieden war ich mit dem Resultat trotzdem noch nicht. Es kann doch nicht sein, dass der Verstärker erst nach einer halben Stunde Einwärmen vernünftig Musik macht. Nach dem Einschalten kommt nur ein ganz schwaches Signal aus dem Verstärker, das überaus stark übersteuert ist (Klirrfaktor wohl bei > 500 %). Man hört die Musik praktisch nicht mehr aus dem Klirr heraus. Nach einer von der Aussentemperatur abhängigen Einwärmphase reduzierte sich das Störgeräusch innerhalb weniger Sekunden auf Null (digitales Verhalten). Nachdem ich die Trafoanzapfung "+5%" gewählt hatte, womit die Anodenspannung um den selben Betrag stieg, war bereits nach einer Einwärmphase von etwa 10 min Musikhören möglich.

Temperatur

Die Freude währte nicht lange. Eines Tages sah die eine El-84 wie in Abb. 14 aus und glimmte nicht mehr. Klarer Fall: Die Röhre hat Luft gesogen. Bei genauer Betrachtung konnte ein kleiner Riss im Glasfuss der Röhre festgestellt werden. Ein Garantieaustausch half auch wenig, denn nach kurzer Zeit ging auch diese Ersatzröhre in die ewigen Jagdgründe. Im Gehäuse geht alles recht eng zu und her, doch da fällt mir der ziemlich verschmorte und verformte Sockel auf (Abb. 15 vorne). Dieser übt unzulässige mechanische Spannung auf die Röhrenstifte aus.

Diese EL-84 hat Luft geschnappt

Abb. 14: Diese EL-84 hat Luft geschnappt (VGA)

Verschmorte Kunststoffsockel und neue Keramiksockel

Abb. 15: Verschmorte Kunststoffsockel und neue Keramiksockel (VGA)

Nach kurzer Suche fand ich bei Thel [7] glasierte keramische Sockel mit Goldkontakte (Abb. 15 hinten). Natürlich ersetzte ich nicht nur die Sockel für die El-84 sondern auch diese für die ECC-83. Dort wäre es vielleicht nicht unbedingt notwendig gewesen, da diese Röhren nicht ganz so heiss werden. Da ich nun sowieso die Platine umbestücken musste, habe ich gleich eine neue Platine geätzt, die nun nicht mehr spiegelverkehrt war. Zusätzlich sind darauf die Anschlüsse des Brückengleichrichters korrigiert, das Rastermass der Folienkondensatoren angepasst und die Lötaugen für die Röhren vergrössert. Danach mass ich an einigen Stellen die Temperatur (Abb. 13) per IR-Thermometerpistole. Das Resultat war ziemlich beunruhigend:

Wo Temperatur nach 60 min ohne Lüfter (Umgebungstemp. 24 °C) Temperatur nach 60 min mit Lüfter (Umgebungstemp. 21 °C)
Schwarzes Blech 62 °C 37 °C
Cu-Frontplatte 45 °C 31 °C
EL-84 133 °C 111 °C
ECC-83 78 °C 55 °C
Ausgangs-Elko 62 °C 33 °C
Obere Platine:
  • Heissester Wid.
  • Brücken-GR
  • Röhrensockel
  • Platine

98 °C
95 °C
104 °C
89 °C

41 °C
48 °C
58 °C
44 °C
Untere Platine:
  • Speisungs-Elkos
  • KK der U-Regler

60 °C
122 °C

(nicht gemessen)
(nicht gemessen)
Trafobox 45 °C 42 °C

Lüftereinbau

Die gemessenen Temperaturen (Annahme: ε = 0.95) lagen weit über dem, was ich den Bauteilen zumuten möchte, beispielsweise 95°C am Brückengleichrichter oder 122°C an den Spannungsreglern. Deshalb baute ich kurzerhand einen kleinen 12V-Lüfter ein, den ich aber über einen kleinen Gleichrichter mit nur etwa 6V betreibe. Damit arbeitet er fast lautlos, senkt aber die Temperaturen der Bauteile im Gehäuse im Schnitt um 50°C.

Einbau eines kleinen Lüfters

Abb. 16: Einbau eines kleinen Lüfters (VGA)

Vorheizen der Stromquellentransistoren mit der Heat-Gun

Abb. 17: Vorheizen der Stromquellentransistoren mit der Heat-Gun (VGA)

Einwärmphase, Teil 2

Ende gut - alles gut? Nein, leider noch nicht! Leider dauert die Einwärmphase nun nicht mehr nur 10 min, sondern unendlich. Sprich: Egal wie lange der Verstärker eingeschaltet ist, er klirrt fürchterlich, von Musik kann keine Rede sein. Auch nach einer Stunde Einwärmen scheint sich die Situation nicht verbessert zu haben. Offenbar wird die Temperatur, ab der dieser Verstärker gut klingt, gar nicht mehr erreicht. Ein Abdecken der Röhren mit Joghurtbecher bringt nichts, offenbar ist nicht die Röhrentemperatur ausschlaggebend. Als nächster Versuch werden die Stromquellenbauteile (Transistoren T3 und T4 sowie Widerstände R3 und R4) mit der Heat-Gun geheizt. Nach drei Sekunden (!) kommt Musik aus dem Verstärker raus. Nun frage ich mal bei Herrn Pelt nach, wie er sich das erklärt... (wird fortgesetzt)

Das Elektor-Forum

In meiner Verzweiflung wandte ich mich mit der Frage ans Forum auf der Elektor-Homepage. Es lohnt sich die Diskussion [8] nachzulesen, denn ich gebe sie hier nur verkürzt wieder.Das Ausmessen diverser Spannungen und Ströme, um die Arbeitspunkte der Röhren zu finden, ergab keine aussergewöhnliche Werte, mit Ausnahme der Ruheströme durch die ECC-83, die mit 2.22 mA recht hoch sind. Bei Beheizung der Transistoren fällt dieser schlagartig auf 1.54 mA.

Ausmessen der Arbeitspunkte

Abb. 18: Ausmessen der Arbeitspunkte (VGA)

Arbeitspunkt der ECC-83, vorher (rot) und nachher (gelb)

Abb. 19: Arbeitspunkt der ECC-83, vorher (rot) und nachher (gelb) (VGA)

Ein nächster Test war das Anschliessen der Tonquelle direkt an das Gitter der EL-84. Und - oho - der Verstärker tönt super (wenn auch etwas leise, aufgrund der niedrigen Spannungsverstärkung)! Danach baute ich kurzerhand die beiden Transistoren aus und überbrückte die ganze Stromquellenschaltung mit einem Widerstand zu 100 kΩ. Es ergibt sich ein Spannungsabfall von 108 V über diesem Widerstand, was also ein Strom von 1.08 mA bedeutet. Der Klang ist nun einfach himmlisch! Ende gut, alles gut!

PS: Den genauen Fehler mit der Stromquellenschaltung habe ich nie eruieren können. Jedenfalls waren laut Multimeter die Transistoren noch funktionstüchtig.

Zusammenfassung

Alle Änderungen in Stichworten (siehe auch rote Bemerkungen im Schaltplan in Abb. 20). Die echten Fehler in roter Schrift:

  • Ersatz der NSF-Kondensatoren
  • "Spiegelungsproblem"
  • R11 = 4.3 Ω anstatt 2.2 Ω
  • Unpassendes Layout für Brücken-GR
  • Einbau von Schmelzsicherungen
  • Zweiter Trafo zwecks Potentialtrennung
  • Widerstände zur Festlegung der Potentiale
  • Keramiksockel anstelle von Kunststoff
  • Lüftereinbau
  • Ersatz der Anodenstromquellenschal- tung durch Festwiderstände mit 100 kΩ

Es folgen nun noch ein paar schöne Bilder.

Schaltplan mit Korrekturen und Ergänzungen in rot

Abb. 20: Schaltplan mit Korrekturen und Ergänzungen in rot (XGA)

Konstruktionszeichnung 3D (frühe Version)

Abb. 21: Konstruktionszeichnung 3D (frühe Version) (VGA)

Konstruktionszeichnung von Deckel und Bodenplatte (frühe Version)

Abb. 22: Konstruktionszeichnung von Deckel und Bodenplatte (frühe Version) (VGA)

Konstruktionszeichnung der Holzzarge (frühe Version)

Abb. 23: Konstruktionszeichnung der Holzzarge (frühe Version) (VGA)

Belichten der doppelseitigen Platine

Abb. 24: Belichten der doppelseitigen Platine (VGA)

Ätzen der Platinen mit Fe-III-Cl

Abb. 25: Ätzen der Platinen mit Fe-III-Cl (VGA)

Einzelteile bereitgelegt

Abb. 26: Einzelteile bereitgelegt (VGA)

Auf dem IKEA-Möbel

Abb. 27: Auf dem IKEA-Möbel "ROGER" zusammen mit meiner modifizierten X-Box (VGA)

Verstärker im Einsatz

Abb. 28: Verstärker im Einsatz (VGA)

Referenzen

[0] W. A. van Pelt: Hybride hoofdtelefoonversterker
[1] W. A. van Pelt: "Hybriden Kopfhörerverstäker", Elektor 2/96 (2. Preis im Internationalen Schaltungswettbewerb)
[2] Grieder Bauteile AG, Basel, www.griederbauteile.ch
[3] Conrad Electronic, www.conrad.ch
[4] TubeDepot, www.tubedepot.com/so-el84.html
[5] Jogis Röhrenbude, www.jogis-roehrenbude.de
[6] Kraske Audio-Design, www.kraske.ch
[7] Thel Audio, www.thel.de
[8] Thread im Elektor-Forum: www.elektor.de





Autor: info@lugra.ch
Datum: 30. Oktober 2006
Update: 21. März 2007
2. Update: 20. Juni 2007