Ein hochwertiger dynamischer Kopfhörer-Elektronenröhrenverstärker
von Helmut Becker und Michael Oberesch
Glass Audio 01-0-1988
Nur wenige von uns haben das Privileg, Musik in einer Lautstärke zu hören, die mit der ursprünglichen Aufführung vergleichbar ist. Es liegt nicht daran, dass uns die entsprechende Ausrüstung fehlt, sondern die Nachbarn zwingen uns, die Lautstärke zu reduzieren. Auf dieses Problem gibt es zwei Antworten. Wir können entweder in eine Wohnung fernab der Zivilisation ziehen oder Kopfhörer verwenden. Die zweite Variante ist definitiv günstiger und bietet einen zusätzlichen Vorteil: Bei der Klangqualität kann kein Lautsprecher mit Kopfhörern mithalten.
Die meisten Stereohersteller scheinen die Tatsache zu ignorieren, dass Kopfhörer zu den besten Wandlern gehören. Fast alle Verstärker verfügen über einen Kopfhöreranschluss, allerdings ist dieser Ausgang oft bestenfalls unzureichend.
Schlicht, schlecht, einfach
Normalerweise werden Kopfhörer parallel zu den Lautsprechern angeschlossen, wobei die Lautsprecher optional abgeschaltet werden können. Kopfhörersysteme gibt es mit Impedanzen von 8 bis 2 kΩ, meist wird jedoch ein Widerstand mit ca. 300 Ω in Reihe zum Kopfhörer geschaltet.
Dies verhindert eine Überlastung durch eine zu hohe Spannung am 8Ω-Lautsprecherausgang. Bei Anschluss an hochohmige Systeme verursacht dieser Widerstand nur einen vernachlässigbaren Spannungsabfall.
Bis hierher scheint alles in Ordnung zu sein. Die Widerstandslösung ignoriert jedoch die Tatsache, dass sowohl dynamische Kopfhörer als auch Lautsprecher durch die niedrige Innenimpedanz des Verstärkers gedämpft werden müssen. Der oben genannte Vorwiderstand verhindert gezielt eine solche Dämpfung.
Ein weiterer Nachteil ist die relativ niedrige Spannungsversorgung, die in Leistungsverstärkern verwendet wird. Hochwertige Kopfhörer sind fast ausschließlich hochohmig (600-2kΩ) und benötigen eine entsprechend hohe Ansteuerspannung. Die für niederohmige Lautsprecher ausgelegten Endstufen können diese Anforderung nicht erfüllen.
Die einzige Lösung ist daher ein spezieller Kopfhörerverstärker. Ein Leistungsverstärker zum Antreiben von Lautsprechern hat eine niedrige Innenimpedanz und treibt eine Last mit sehr niedriger Impedanz mit einem relativ kleinen Spannungshub und einem hohen Strom an. Ein Transistor kann diese Aufgabe perfekt bewältigen, aber kann der Verstärker auch eine relativ hochohmige Last mit hohem Spannungshub und niedrigem Strom antreiben? Natürlich können wir durch die Verwendung von Transistoren eine geeignete Schaltung entwerfen, die diese Aufgabe erfüllt. Es gibt jedoch noch eine weitere Komponente, an die sich einige von uns gerne erinnern: die Elektronenröhre.
Die ideale Schaltung
Für die oben genannten Anforderungen ist eine Elektronenröhrenschaltung ideal. Voraussetzung für den Betrieb einer Elektronenröhre ist eine hohe Versorgungsspannung, sodass hohe Spannungsschwankungen problemlos verkraftet werden können. Da die Last hochohmig ist, benötigen Sie keinen Ausgangstransformator, wie er zum Antrieb eines Lautsprechers erforderlich ist. Das Ergebnis ist eine hochwertige transformatorlose Elektronenröhren-Endstufe, die den meisten Transistorverstärkern überlegen ist.
ABBILDUNG 1: Das Prinzipschaltbild.
Natürlich möchte man nicht alle Halbleiter verbieten. Dort, wo Elektronenröhren ihre Schwachstellen haben (sie unterliegen gewissen Fertigungstoleranzen und weisen als thermisch hochbelastete Bauteile eine relativ hohe Alterungsrate auf), werden Halbleiter zur Beherrschung und Stabilisierung von Betriebszustandsschwankungen eingesetzt.
Wenn man Kopfhörer an den Ausgang eines ansonsten hervorragenden Lautsprecherverstärkers anschließt, hört man oft etwas anderes als Musik. Die Verbindung erzeugt Geräusche, Brummen, Knistern und Zischen; Der Lautsprecher gibt so etwas nicht wieder. Kopfhörer sind von Natur aus empfindlichere Wandler als Lautsprecher. Sie erzeugen sogar sehr geringe Rausch- und Brummspannungen. Die Anforderungen an einen Kopfhörerverstärker sind daher sehr hoch.
Ausgezeichneter Klang
Die von Helmut Becker entworfene und zum Patent angemeldete Schaltung in Abb. 2 (P3200 517,2) zeigt ein hervorragendes Verhalten. Im Vergleich zum deutlich teureren Onkyo P3090 konnten keine wesentlichen Unterschiede festgestellt werden. Bei Anschluss an den dynamischen Kopfhörer DT880 Beyer Studio reproduzierte der Becker-Verstärker die dynamischen Passagen klar und natürlich und einwandfrei; Stimmen und Orchester wurden ohne Färbung dargeboten.
ABBILDUNG 2: Das komplette Schaltbild des Kopfhörerverstärkers.
Zu den Vorteilen dieser Schaltung gehören:
- hervorragende Messergebnisse (siehe Tabelle 1);
- ausgewogener, kraftvoller, klarer Klang;
- guter Dynamikumfang, daher CD-tauglich;
- hoher Dämpfungsfaktor und niedrige Innenimpedanz;
- transformatorlose Anpassung an Impedanzen zwischen 30 und 3kΩ;
- erweiterbar mit Vorverstärker zu einem vollwertigen, linearen Verstärker.
Die Rennbaht
Wie im Prinzipschaltbild (Abb. 1) dargestellt, sind die beiden Ausgangs-Elektronenröhren für Gleichspannung in Reihe geschaltet, sodass die verfügbare Versorgungsspannung von beiden Elektronenröhren gemeinsam genutzt wird.
Um unnötig hohe Versorgungsspannungen zu vermeiden, müssen Sie Elektronenröhren verwenden, die mit hohem Strom bei einer Anodenspannung von ca. 150 V arbeiten können. Da die Produktfamilie der Tonfrequenz-Elektronenröhren auf hohe Anodenspannungen ausgerichtet ist, sollten Sie es mit der Trioden-Pentode PCL805 versuchen, die vor zehn Jahren als Standardkomponente in Fernsehgeräten verwendet wurde.
Der PCL805 erfüllt die oben beschriebenen Anforderungen, weist aber ansonsten gravierende Nachteile auf, die Sie beim Entwurf dieser Schaltung berücksichtigen und beseitigen müssen. Beispielsweise müssen Sie eine Regelschaltung verwenden, um das relativ starke Brummen, das durch den Heizstrom entsteht, zu unterdrücken. Darüber hinaus müssen Sie die stark nichtlinearen Netzeigenschaften kompensieren.
Abbildung 1 zeigt den Grundschaltplan, der aus drei Funktionsgruppen besteht:
- Referenzspannungsquelle für alle Referenzpunkte;
- Operationsverstärker als Regelelement;
- Ausgangsstufe einer Elektronenröhre.
Elektronenröhren-Ausgangsstufe
Elektronenröhre 2 und 3 sind für Gleichspannung in Reihe geschaltet und daher fließt durch beide der gleiche Strom. Die Einstellung des Spannungsabfalls an beiden Elektronenröhren auf den gleichen Wert führt zu einer maximalen Ausgangsschwankungsfähigkeit.
Die Elektronenröhre 1b wird in einem Stromkreis mit geerdeter Anode verwendet, während die Elektronenröhre 2b in einem Stromkreis mit geerdeter Kathode angeschlossen ist. Die negative Vorspannung am Gitter der Elektronenröhre 2b regelt den Ruhestrom der Ausgangsstufe. Für den Betrieb der Klasse AB sollten Sie den Ruhestrom wählen.
Die Elektronenröhren 1a und 2a dienen gleichzeitig als Treiberstufen und sorgen für die phasenverschobenen Gitterantriebsspannungen für die Ausgangselektronenröhren. Steigt die Gitterspannung an der Elektronenröhre 2b, muss auch die Gitterspannung an der Elektronenröhre 1b steigen und umgekehrt. Dadurch verschiebt sich das Spannungsniveau am Verbindungspunkt A zwischen den Elektronenröhren 1b und 2b entsprechend. Die gesamte Schaltung fungiert als elektronisches Potentiometer, das zwischen Masse und Versorgungsspannung geschaltet ist. Sein Ausgang ist mit dem Ausgangskondensator C2 verbunden.
Der Operationsverstärker
Die Aufgaben des Operationsverstärkers bestehen darin, die Betriebsbedingungen der mit Gleichstrom verbundenen Verstärker zu steuern und das Audiofrequenzsignal zu steuern.
Eine Gleichstromkopplung ist erforderlich, um die Betriebsbedingungen aller Verstärkerstufen von einem Schaltkreisstandort aus zu steuern. Wie in Abb. 1 dargestellt, gilt dies für die Elektronenröhren 1a, 2a und 1b. Der Ruhestrom der Elektronenröhre 2b wird nur durch die negative Vorspannung festgelegt. Dies bestimmt den Innenwiderstand der Elektronenröhre 2b. Der Spannungspegel am Punkt A wird durch das Verhältnis R1 und R2 geteilt und die resultierende Operationsverstärkerspannung mit der Referenzspannung URef verglichen. Die Ausgangsspannung des Operationsverstärkers verschiebt den Arbeitspunkt der Elektronenröhren 1a und 1b, bis die Spannungen an den invertierten und nichtinvertierten Eingängen des Operationsverstärkers gleich sind. Die Referenzspannung URef, die an den invertierenden Eingang des Operationsverstärkers angelegt wird, definiert auch den Spannungspegel am Punkt A. Wenn URef so gewählt wird, dass der Spannungspegel am Punkt A gleich der Hälfte der Versorgungsspannung Ua ist, gilt dies für beide Ausgangselektronenröhren haben den gleichen Innenwiderstand und verbrauchen die gleiche Leistung. Darüber hinaus erreicht die Ausgangsschwingfähigkeit ihr Maximum.
Abbildung 1 zeigt auch das der Referenzspannung überlagerte Audioeingangssignal. Die Ruheströme modulieren mit der Frequenz der Eingangsspannung, sodass das Ausgangssignal des Verstärkers eine direkte Kopie des Eingangssignals wird. Es wird jedoch entsprechend dem Verhältnis der Widerstände R1 und R2 verstärkt.
Dieser recht komplizierte Steuerkreis weist einige bemerkenswerte Eigenschaften auf. Ein Problem von Röhrenschaltungen ist das Brummen, das durch den Heizstrom entsteht. Der durch den Glühfaden fließende Wechselstrom erzeugt ein magnetisches Feld, das auch die Kathode erreicht und zu einer 60-Hz-Modulation des Anodenstroms führt. Tritt ein solches Brummen innerhalb der Schleife dieser vom Operationsverstärker gesteuerten Schaltung auf, wird es vollständig eliminiert, wenn die Referenzspannung sauber und brummfrei ist. Sie können diese Bedingung leicht erfüllen, indem Sie einen Festspannungsregler verwenden, um die Referenzspannung sorgfältig zu filtern und zu glätten. Sie können ein Signal-Rausch-Verhältnis von 130 dB(A) erreichen.
Ein weiterer Vorteil dieser Konstruktion ist die vollständige Kompensation der Nichtlinearitäten der Elektronenröhrencharakteristik. Auch Fertigungstoleranzen und alterungsbedingte Veränderungen werden automatisch ausgeglichen. Darüber hinaus stellt die Steuerschaltung eine starke negative Wechselstromrückkopplung dar, was zu einer extrem niedrigen Ausgangsimpedanz führt.
Stromversorgung
Obwohl der Verstärker mit seiner Hybridschaltung zahlreiche Versorgungsspannungen benötigt, kann der Leistungstransformator mit nur zwei Sekundärwicklungen arbeiten. Um die zur Versorgung einer Stereo-Endstufe notwendige Anodenspannung zu erzeugen, ist eine Wicklung mit 250V und 100mA Laststrom von Bedeutung. Die zweite Wicklung erzeugt die Heizspannung für die Elektronenröhren. Der PCL805 benötigt 18 V bei 300 mA Filamentstrom. Da die beiden Elektronenröhren in Reihe geschaltet werden, müssen Sie eine Transformatorspannung von 36 V mit einer Strombelastbarkeit von 0,7 A wählen. Von dieser Wicklung werden die positive und negative Versorgungsspannung für den Operationsverstärker sowie die negative Vorspannung für die Elektronenröhre 2b und die positive Referenzspannung URef abgeleitet.
Konstruktion
Leider konnten wir beim Aufbau dieser Schaltung nicht auf eine doppelseitige Leiterplatte verzichten. Aus diesem Grund sollten nur erfahrene Heimwerker versuchen, dieses Brett zu ätzen.
Was die Füllung angeht, beginnen Sie mit der Stromversorgung. Sie müssen die folgenden Komponenten installieren: Gleichrichter G11, Dioden und Z-Dioden D1-4 und D11, Kondensatoren C1-14, Widerstände R1-5, Trimpoti P1, Festspannungsregler IC1 und die beiden Sicherungen Si1 und Si2.
Bevor Sie den Transformator anschließen, um die Spannungen zu überprüfen, sollten Sie vor Hochspannung warnen: Die Anodenspannung des Verstärkers beträgt mehr als 300 V. Dieser Spannungspegel ist hoch genug, um Sie in die „glücklichen Jagdgründe“ zu schicken. Wenn es unbedingt erforderlich ist, arbeiten Sie am Verstärker nur im ausgeschalteten Zustand und auch dann nur mit größter Sorgfalt. Auch nach Abschalten der Versorgung bleiben die Spannungen an den Hochspannungselektrolyten (C14, 24, 24', 25', 26 und 26') noch lange hoch. Bevor Sie mit Arbeiten am ausgeschalteten Verstärker beginnen, entladen Sie die oben genannten Kondensatoren. Verwenden Sie zum Entladen einen 1k/4W-Widerstand. Schließen Sie die Kappen niemals kurz, da der Elektrolyt durch kurze Stromspitzen von mehr als 10 A zerstört werden kann.
Schalten Sie nun den Verstärker ein und prüfen Sie die Spannungen gegen Masse:
C14 ca. +315V
C4 -18V
C8 +22V
C10 +12V
C12 +6V
Stellen Sie den Spannungspegel an C13 mit dem Trimpoti P1 auf etwa 3,5 V ein. Wenn alle Spannungswerte korrekt sind, können Sie die Röhrensockel anlöten und die Elektronenröhren einbauen, allerdings erst nachdem Sie den Verstärker ausgeschaltet und die Kappen entladen haben. Überprüfen Sie nun, ob die Filamente funktionieren, indem Sie den Verstärker erneut einschalten und einige Sekunden warten. Sie sollten ein Leuchten der Filamente in der Elektronenröhre sehen.
Nach dem Ausschalten und erneuten Entladen des Systems können Sie mit dem Füllen fortfahren. Wenn alle Komponenten verlötet sind, schalten Sie den Verstärker ein und stellen Sie ihn ein, indem Sie die Spannungspegel an C26 oder C26' messen. Die Spannung sollte im Bereich von 100 bis 250 V liegen und muss mit P1 auf ca. 160 V eingestellt werden. Schließen Sie dann den Eingang kurz und überprüfen Sie den Ausgang von Kanal eins mit einem Oszilloskop. Am Ausgang sollte außer einem sehr geringen Rauschsignal nichts vorhanden sein. Überprüfen Sie Kanal zwei auf dasselbe.
Um die Symmetrie Ihres Verstärkers anzupassen, legen Sie ein 1-kHz-Signal an den Eingang an. Sie müssen den Ausgang mit einem 390Ω/4W-Widerstand belasten. Verwenden Sie ein Oszilloskop, um das Ausgangssignal zu überwachen. Erhöhen Sie nun die Eingangsspannung, bis am Ausgang ein Clipping auftritt. Durch eine leichte Korrektur von P1 verschiebt sich der Ruhepunkt, bis die Beschneidung der positiven und negativen Halbwelle gleich ist. Unterhalb des Clipping-Pegels muss das Ausgangssignal verzerrungsfrei sein. Wenn Sie kein Oszilloskop haben, können Sie die Spannung an C26, C26' auf die Hälfte der Versorgungsspannung einstellen.
ABB. 3
ABB. 4
ABBILDUNG 5: Anleitung zum Füllen.
ABBILDUNG 6: Schaltung für Lautstärke- und Balance-Eingang.
STÜCKLISTE
Elektronenröhren und Halbleiter
1,1', 2,2' PCL805
IC1 78L12
IC2, 2' LF351
GL1 250V, 1A bridge (B250C1000)
D1, 2 1N001
D3 ZF18 zener
D4 ZF22 zener
D5, 5' ZF8.2 zener
D6-9, 6'-9' 1N4148
D10, 10' ZF39
D11 ZF6.2 zener
Widerstände
R1, 10, 10', 24, 24', 27, 27' 10Ω
R2, 25, 25', 26, 26', 28, 28', 29, 29' 1kΩ, ½W
R3 47kΩ
R4, 32, 32' 2.7kΩ, ½W
R5 100Ω
R8, 8', 11, 11', 15, 15', 16, 16', 18, 18', 23, 23' 30, 30' 1.2kΩ
R9, 9', 14, 14' 47Ω
R12, 12' 47kΩ, ½W
R13, 13' 100kΩ
R17, 17' 39kΩ, ½W
R19, 19', 22, 22', 31, 31' 1MΩ
R20, 20' 100kΩ, ½W
R21, 21' 22kΩ, ½W
R33, 33' 100Ω, ½W
P1 10kΩ trimmer
Alle Widerstände sind ¼W, ±5 % Metallfilm, sofern nicht anders angegeben.
Kondensatoren
C1, 2 .047µF, 630V
C3, 3' .001µF, 250V
C4, 11, 12 100µF, 24V electrolytic
C5, 7 47µF, 50V electrolytic
C6, 13 .047µF, 50V ceramic
C8 220µF, 25V electrolytic
C9, 10 1µF, 35V tantalum
C14 220µF, 350V electrolytic
C15, 15', 18, 18', 19, 19', 20, 20' 10µF, 25V tantalum
C16, 16' 21, 21' 100pF ceramic
C17, 17' 10pF ceramic
C22, 22' .22µF, 100V
C23, 23' .22µF, 250V
C24, 24', 25, 25' 10µF, 350V electrolytic
C26, 26' 220µF, 250V electrolytic
C27, 27' 330pF ceramic
C28, 28' .001, 350V ceramic
Hardware
Si1 (Fuse 1) 0.1A slow blow
Si2 (Fuse 2) 0.8A slow blow
Transformator
Primary 118V AC
Secondary 1 250V, 100mA
Secondary 2 36V @ 700mA
Four 9-pin tube sockets, 2 to 8-pin dual in-line IC sockets.
Optionale Steuerelemente
Volume: Dual 100kΩ log potentiometer
Balance: Dual 50kΩ linear potentiometer
(2) 10kΩ ½W fixed resistors
TABELLE I
MESSERGEBNISSE DES ENDPRODUKTS
Output Power 3.4W into 100Ω
RMS at 1kHz/1% THD 6.6W into 600Ω
THD 1kHz/100mW 0.007% into 100Ω
THD 1kHz/100mW 0.004% into 600Ω
Intermodulation 600/6000Hz, 4:1 0.005% into 600Ω
Power bandwidth - 3dB 2Hz-120kHz into 100Ω
Power bandwidth - 3dB 1Kz-140kHz into 600Ω
Dumping factor >104
Input sensitivity 0.2V for 1W into 100Ω
Input sensitivity 0.5V for 1W into 600Ω
Input impedance 100kΩ (without volume control)
Signal-to-noise ratio 113dB(A), 50mW into 600Ω
Signal-to-noise ratio 138dB(A), 2W into 600Ω
Output voltage 80V RMS
Slew rate (40V into 600Ω) 80V/µSec
Power output 2-3 dynamic phones (impedance approx. 400Ω)
Power supply 220V/50Hz, 40VA
