Audio-Verstärker mit E83F und 6080/6AS7

Triodenverstärker zum Musikhören


Vor einiger Zeit hatte ich mir -damals für ein Gitarrenverstärkerprojekt- einen Netztrafo besorgt, der eigentlich für einen HiFi-Verstärker mit zwei 6080 Doppeltrioden in der Endstufe vorgesehen war. Der Transformator hat neben den Wicklungen für die Heizung der Röhren Anschlüsse mit 180 V~ und 90 V~. Das Bauteil kam dann doch nicht wie ursprünglich geplant zum Einsatz. Dafür kam nun später die Frage auf, wie denn mit dem Trafo eine 6080 zu betreiben wäre...


Voransicht Plan
Plan <...als PDF>

Top

Vorstufe

Die Endröhren benötigen für Vollaussteuerung eine Steuerspannung von ca. 140 V^^ bis maximal 180 V^^. Bei einer Eingangsspannung von 775mV eff (..."Consumer"-Pegel; entspricht etwa 2 V^^) wird dafür eine etwa 90-fache Verstärkung benötigt. Außerdem bietet mein vorhandener Trafo für die Vorstufen eine Heizwicklung mit lediglich 6,3 V / 1 A.
Unter diesen Umständen kommt an dieser Position eigentlich nur eine Pentode in Frage, denn die geforderte Verstärkung ist recht hoch und schon die Heizleistung ist für mehr als zwei Röhren knapp bemessen. Ich habe verschieden Typen ausprobiert. Eine E280F könnte z.B. auch funktionieren; ich habe mich letztlich für die E83F entschieden.


Kennlinien E83F
Kennlinien und Arbeitsgerade E83F

In das Kennlinienfeld ist die Arbeitsgerade für einen Anodenwiderstand von 18 kOhm eingetragen. Auf diesen Widerstand kommt man, wenn man mit dem Lineal im Kennlinienfeld eine Arbeitsgerade sucht, die die benötigte Verstärkung ungefähr abbildet. Der Arbeitspunkt liegt in diesem Fall bei -2 V. In Ruhe fließen knapp 10 mA Anodenstrom und etwa 1,8 mA Schirmgitterstrom. Der Kathodenwiderstand beträgt demnach 180 Ohm (2 V / 11,5 mA = 175 Ohm). Man sieht, dass die Röhre die oben beschriebenen Anforderungen ganz gut erfüllt. Allerdings benötigt man für die Vorstufe eine deutlich höhere Betriebsspannung als für die Endstufe, sodass das Netzteil etwas aufwändiger wird, als üblich.


Layout der Lötleiste
Entwurf für das Layout der Lötleiste

Hinsichtlich der Lage der Arbeitsgeraden im Kennlinienfeld lohnen sich evtl. ein paar zusätzliche Gedanken: Einerseits rücken mit zunehmender negativer Steuergitterspannung die Kennlinien immer dichter zusammen, was zu einer Stauchung des Audiosignals führt. Gerade, wenn hohe Aussteuerung benötigt wird, hat man auf dieses Verhalten wenig Einfluss. Andererseits knicken die Kennlinien links im Graphen jeweils in dem Bereich nach unten ab, in dem Schirmgitterstrom einsetzt, weil die Anodenspannung deutlich geringer als die Schirmgitterspannung ist. Wenn das Ende der Arbeitsgeraden hier unterhalb des Knicks verläuft, wird die Signalspannung bei hohen Pegeln vorwiegend symmetrisch verzerrt. Liegt das Ende der Arbeitsgeraden jedoch oberhalb des Knicks, so sind die Verzerrungen zunächst eher unsymmetrisch. Im ersten Fall produziert die Röhre bevorzugt unharmonische Obertöne und der Klang wird tendenziell als "hell" oder auch "kalt" empfunden. Im zweiten Fall hingegen werden eher harmonische Klirrprodukte erzeugt, die in erster Linie im musikalisch angenehmen Bereich der Oktave angesiedelt sind. Hier ist also der "Entwickler" gefragt! :-)

Bei diesen Überlegungen muss man auch bedenken, dass die Arbeitsgerade -so, wie sie oben in der Grafik eingezeichnet ist- nur für die unbelastete Röhre gilt. Wechselspannungsmäßig liegt der Eingangswiderstand der nachfolgenden Stufe parallel zum Anodenwiderstand, sodass dieser sich entsprechend verkleinert. Das bedeutet, dass sich die Arbeitsgerade für die Wechselspannung ein Stückchen im Uhrzeigersinn um den Arbeitspunkt herum dreht, also steiler wird und dadurch auch die Verstärkung unter realen Bedingungen etwas geringer ausfällt, als unter statischen Bedingungen ermittelt.

Außerdem beträgt die Schirmgitterspannung im Gerät 113 V; die Kennlinien im o.a. Graphen gelten -streng genommen- aber für 120 V und haben deshalb, verglichen mit den Bedingungen in der Schaltung, einen minimal größeren Abstand zueinander. Aber Röhren sind Bauteile mit Toleranzen...


Testaufbau von der Seite
Testaufbau von der Seite aus betrachtet

Der Schirmgitterwiderstand erzeugt übrigens -jedenfalls soweit ich es überblicke- die einzige Gegenkopplung im Verstärker. Ohne dieses Bauteil wäre die Schirmgitterspannung der E83F um etwa 10 V höher und die damit verbundene Belastung des Gitters im oberen Bereich des Zulässigen (Ohne Widerstand: 0,27 W / mit W.: 0,20 W / Zulässig: 0,35 W).


Top

Endstufe

Als Endröhre kommt, wie gesagt, pro Kanal eine Doppeltriode vom Typ 6080/6SN7/6n13c zum Einsatz. Bei einer Aussteuerung mit 140 V^^ kommt man mit zwei parallel geschalteten Triodensystemen im Eintakt-A Betrieb auf etwa 5 W Ausgangsleistung. Bei 180 V^^, und damit an der Clipgrenze, sind es etwa 7 W.


Kennlinien 6080
Kennlinien und Arbeitsgerade 6080

Der Innenwiderstand der Röhre lässt sich aus den Kennlinien ablesen. Eine Anodenspannungsänderung von z.B 20 V bewirkt bei gleichbleibender Gitterspannung eine Änderung des Anodenstroms um 50 mA. Damit beträgt Ri 400 Ohm für ein Triodensystem, bzw. 200 Ohm für zwei parallel geschaltete Systeme.

Bei einem Triodenverstärker soll der Lastwiderstand etwa um den Faktor 3-5 größer sein, als der Innenwiderstand der Röhre. Im Handel erhältliche Übertrager für 6080 Röhren in Parallel / Single-Ended Schaltung haben z.B.einen Primärwiderstand von 800 Ohm. Um die Arbeitsgerade zu konstruieren, habe ich also für ein Triodensystem einen Arbeitswiderstand von 4 x 400 Ohm = 1600 Ohm angenommen. Da später zwei Systeme parallel geschaltet werden, ist dann der 800 Ohm Übertrager passend.

Der Arbeitspunkt liegt auf der Arbeitsgeraden in der Mitte des für die Aussteuerung nutzbaren Bereiches; in diesem Fall bei -90 V. Dazu gehört ein Ruhestrom von etwa 64 mA und eine Anodenspannung von 185 V. Daraus ergibt sich eine Anodenbelastung im Arbeitspunkt von knapp 12 W. Im Kennlinienfeld oben ist die Hyperbel der maximal zulässigen Anodenbelastung eingezeichnet. Man sieht, dass der Bereich der Obergrenze für Pav von 13 W erst bei einer geringen Aussteuerung erreicht wird (...dann ist die Röhre auch maximal belastet; bei kleinerer oder größerer Aussteuerung werden die 13 W nicht erreicht, bzw. im Mittel sogar noch weiter unterschritten).


Testaufbau von oben
Testaufbau von oben betrachtet - Links im Bild die Lötleiste mit der Vorstufe; Rechts das Board mit den Spannungsreglern usw.

Für die Biaseinstellung der Endröhre kam eine Einstellung ausschließlich über den Spannungsabfall am Kathodenwiderstand aus mehreren Gründen nicht in Frage. Einerseits wäre dafür eine Betriebsspannung von ca. 285 V (185 V Anodenspannung +  90 V Bias + ca. 10 V Abfall am Übertrager, Netzteil, etc) erforderlich, die der vorhandene Netztrafo schon mal nicht hergibt. Außerdem würde die Biaserzeugung alleine schon 23 W Wärmelast erzeugen (90 V * 0,064 A * 4 Systeme).

Die 90 V / 0,05 W Wicklung des Trafos scheint für die Erzeugung einer festen neg. Biasspannung vorgesehen zu sein. Die Einstellung des Arbeitspunktes alleine über eine feste Spannung hätte allerdings den Nachteil, dass bei Alterung der Röhren und Nachlassen der Emission keine automatische Justierung des Arbeitspunktes erfolgen würde. Außerdem hatte ich beim Ausmessen meiner 6080/6SN7/6n13c bei einigen Exemplaren das Phänomen, dass nach dem Aufheizen der Anodenstrom plötzlich langsam aber stetig zu steigen begann, wodurch die Röhre wohl irgendwann zerstört worden wäre. Die Biasspannung müsste also am besten durch eine Mischung aus fester und automatischer Spannungseinstellung erzeugt werden.

Nach einigem Probieren habe ich mich für eine Kombination von fester Gittervorspannung, Kathodenwiderstand und Regelung des Kathodenstromes durch eine Konstantstromquelle in Form eines Spannungsreglers entschieden - eine Variante, die ich bislang nirgendwo gefunden habe.

Der größte Anteil von ca. -70 V wird über das Biasnetzteil erzeugt und über einen Widerstand den Gittern der Endtrioden zugeführt. Die restlichen 20 V teilen sich ein als Konstantstromquelle (...also quasi als ein variabler Widerstand) geschalteter Spannungsregler in der Kathodenleitung, dem jeweils ein Widerstand von 1500 Ohm parallel geschaltet ist. Der Strom durch den Spannungsregler ist auf ca. 50mA eingestellt. Durch den Widerstand fließen im Normalfall 20 V / 1500 Ohm = 13,3 mA; zusammen also etwa die grafisch ermittelten 64 mA Anodenstrom. (Der 1 Ohm Widerstand, der im Plan jeweils von der Kathodenkombination nach Masse führt, ist eingefügt, damit man über den Spannungsabfall am Widerstand direkt den Strom durch die Röhre messen kann.)

Wenn die Emissionsfähigkeit der Röhre nachlässt, verringert die Konstantstromquelle ihren Widerstand, um den Strom von 50 mA aufrecht zu erhalten. Dadurch fallen jetzt an der Kathodenkombination in diesem tatsächlich gemessenen Fall nur noch z.B. 13 V ab, was eine Erhöhung der Anodenspannung der Endröhre auf nun 192 V bedeutet (...die Anodenspannung ist ja die Spannung zwischen Anode und Kathode). Durch den 1500 Ohm Widerstand fließt in diesem Fall ein Strom von 13 V / 1500 Ohm = 8,6 mA. Der gesamte Strom durch die Röhre beträgt nun nur noch 58,6 mA. Die Anodenverlustleistung beträgt dann 192 V * 58,6 mA = 11,25 W.

Würde man die Stromregelung alleine der Konstantstromquelle überlassen, würde die Anodenverlustleistung ansteigen, weil sich bei gleichem Strom durch die Röhre die Anodenspannung erhöhen würde. Das würde bedeuten, dass die Lastgerade sich nach oben verschieben- und die Verlustleistungshyperbel schneiden würde. Schaut man in die Kennlinien und versucht, den nun ermittelten Arbeitspunkt der "schlechten" Röhre dort einzutragen, so wird man feststellen, dass es einen Arbeitspunkt mit Pa = 192V / Ug = 85V / Ia = 58,6 mA eigentlich nicht geben dürfte - außer, wenn die Kennlinien im Vergleich zum Datenblatt deutlich anders liegen.

Kennlinien einer schwachen
                6080
Per Hand in das Datenblatt eingezeichnete Kennlinien einer schwachen 6080

Wenn man die Kennlinien der Röhre aus diesem Beispiel aufnimmt sieht man, dass es sich tatsächlich so verhält. Bei jeweils gleicher Anoden- und Gitterspannung ist der Strom durch die Röhre deutlich geringer geworden. Die Kennlinien verlaufen mit nach rechts hin zunehmenden Abstand parallel zu den idealtypischen Kurven. Die -180 V Kennlinie ist vermutlich nicht mehr nutzbar, weil diese Röhre sich da schon Richtung Cutoff befindet. Die Kurve für Ug = -160 V liegt nun etwa dort, wo im Datenblatt die Kurve für -180 V eingetragen war.
Die Biasspannung hat sich etwas in den positiven Bereich verschoben, ohne dass sich aber die Lastgerade selbst verschoben hätte. Der Aussteuerbereich verringert sich dadurch, bleibt aber mehr oder weniger symmetrisch (...leider bietet mein Röhrenprüfgerät keine Gitterspannungen jenseits von -100 V).

Die Aufteilung von 70 V Festspannung zu 20 V automatischer Einstellung funktioniert auch in Hinsicht auf die thermische Belastung der Spannungsregler recht gut. Bei einer frischen Röhre und einem Spannungsabfall von 20 V über dem Regler entsteht eine Wärmelast von gerade einmal 20 V * 0,05 A = 1 W. Es reicht also ein relativ kleiner Kühlkörper - oder man schraubt das Bauteil direkt auf das Chassis.

Insgesamt wird durch diese Schaltung jedes Triodensystem der Endröhren automatisch entsprechend seiner jeweiligen Emissionsfähigkeit eingestellt. Dabei wird ein Weglaufen des Stroms durch die Konstantstromquelle wirksam vermieden und die Überlastung der Röhre verhindert.

Die Spannungsregler sollte man in ihrer Funktion als Konstantstromquelle wegen der vorhandenen Exemplarstreuung auf gleichen Ausgangsstrom hin selektieren. Am besten baut man sich einen Messadapter, an den man ein Strommessgerät anschließen kann und sucht sich aus einer Anzahl von ICs die aus, die etwa den gleichen Strom liefern. Die Regler im TO220 Gehäuse passen zum Wechseln recht gut in DIL IC-Sockel mit Federkontakten (...also nicht die gedrehten).


Konstantstromquelle mit
                  TL783
Konstantstromquelle mit TL783 (Quelle: Datenblatt Texas Instruments)


Messadapter
Messadapter zum selektieren der Spannungsregler

Bezogen auf das Bild wird der TL783 in die rechten drei Kontakte (obere- oder untere Reihe) mit der Front in Richtung Platine eingesteckt (v.l.n.r.: Adj | Out | In). Das von oben betrachtet linke Anschlusskabel ist (-), rechts ist (+). Der Widerstand ist zwischen dem mittleren (Adj) und dem rechten (Out) Pin eingelötet. Der Wert das Widerstands sollte etwa so bemessen sein, dass sich ein Strom einstellt, der etwa dem späteren Strom durch die Röhre entspricht (I = 1.27 / R). Die beiden Lötnägel sind zum Einschleifen des Amperemeters vorgesehen.


Top

Netzteil


Netzteil
Testaufbau des Netzteils

Beim Netzteil habe ich an verschiedenen Stellen auf Vorschläge von Merlin Blencowe zurück gegriffen. Das Netzteil für den Verstärker besteht aus drei Modulen:

  • Netzteil für die Versorgung der Endröhren
  • Netzteil für die Vorstufe
  • Bias-Netzteil

Die Siebung für Vor- und Endstufe ist jeweils als Gyratorschaltung aufgebaut. Die benötigte hohe Betriebsspannung für die Vorstufe wird über einen Spannungsverdoppler erzeugt. Wegen der höheren Spannung sind hier zwei Transistoren hintereinander geschaltet.
Oben im Bild sieht man links vier Platinen mit je zwei Elkos. Es sind die Kondensatoren für das Vorstufennetzteil, wobei immer zwei Cs mit jeweils einem parallelen 220 kOhm Widerstand zur Erhöhung der Spannungsfestigkeit in Reihe geschaltet sind.
Die Bias Spannung soll nach dem Abschalten der Stromversorgung noch einen Moment im Kondensator rechts im Schaltbild gehalten werden. Das soll verhindern, dass bei einem kurzen Aus- und wieder Einschalten die entsprechende Sicherung durchbrennt. Beim ersten Einschalten würde die Bias Spannung ja aufgebaut werden während die Röhren erst noch aufgeheizt werden. Bei einem kurzen Aus/Ein hingegen wären die Röhren bereits leitend. Die Bias Spannung wäre jedoch erst vollständig aufgebaut, wenn die Kondensatoren im Netzteil wieder geladen sind. Damit würde kurz nach dem erneuten Einschalten u.U. ein zu hoher Strom fließen, der die Sicherung auslöst. Die Diode mit dem parallel liegenden Widerstand im Netzteil soll dafür sorgen, dass sich der dahinter befindliche Elko schnell auf-, aber nur langsam entlädt. Im konkreten Fall sollte aber schon die Konstantstromquelle in den Kathodenleitungen der Endtrioden einen übermäßigen Anstieg des Stromes verhindern.
Die Widerstände direkt hinter der Sekundärwicklung für die Betriebsspannung sind so dimensioniert, dass im Normalfall möglichst genau die errechneten 185 V an den Endröhren abfallen.
Die Leistungsaufnahme beträgt übrigens etwa 100 W.


Erster Eindruck

Ich betreibe den Verstärker an einem Paar selbstgebauter Boxen, die ich auf einer anderen Seite beschrieben habe. Die meisten Produktionen klingen mit dieser Zusammenstellung für meinen Geschmack sehr ausgewogen und angenehm bei guter Stereoabbildung. Stimmen wirken -gut Aufnahme vorausgesetzt- sehr körperlich und "echt". Richtig spektakulär kommen einige Jazz- / Bluesnummern mit Kontrabass und offen aufgenommenem Schlagzeug 'rüber. Damit macht das Musikhören Spaß!
Ein Restbrummen ist nur wahrnehmbar, wenn man das Ohr direkt vor die Lautsprecher hält. Allerdings gibt es ein leichtes mechanisches Brummen des Netztrafos, das durch die Resonanz des Gehäuses noch vertärkt wird. Ich werde die Grundplatte bei Gelegenheit auf Moosgummi lagern...
Als nächstes werde ich versuchen, Messwerte für Frequenzgang und Klirrverhalten zu ermitteln. Hier schon mal eine Prognose des Klirrverhaltens bei z.B. 500 Hz - erzeugt mit der Smartphone-App "Spectroid".

Plot der Klirrprodukte bei
                    500 Hz
Plot der Klirrprodukte bei 500 Hz

(..."gemessen" über Lautsprecher mit der App "Spectroid" und dem internen Mikrofon des Smartphones!)



Weiter geht's!

Inzwischen ist einige Zeit vergangen und ich habe viele Platten über den Versuchsaufbau gehört. Der Verstärker läuft elektrisch und thermisch stabil und gefällt mir immer besser - höchste Zeit, dass er in ein Gehäuse umzieht. Im Frontplatten-Designer von Fa. Schaeffer habe ich dazu inzwischen eine Grundplatte erstellt, auf deren Rückseite die Bauteile befestigt- und verdrahtet werden. Nun geht es daran, passende Seitenteile aus Holz zu bauen.

Frontplatte
Grundplatte aus dem Frontplatten-Designer <Vorlage zum Download>

Den Käfig für die Röhren habe ich bei "Ask Jan First" gefunden.


Fertig

Und endlich ist der Verstärker fertig geworden!

Ansicht des Verstärkers von
                  vorne
Ansicht von vorne

Das Gehäuse ist so konstruiert:
Die Seitenteile sind aus Leisten 10x60 zusammengefügt. In den Ecken sind zur Stabilisierung Leisten mit rechteckigem Querschnit 20x20 eingeleimt. In diese sind oben Gewindehülsen eingeklebt, an denen die Grund-/Frontplatte angeschraubt ist. Nicht in der nachfolgenden Skizze eingezeichnet ist eine umlaufende Leiste, die die Frontplatte unterstützt (s. Innenansicht unten). Die Bodenplatte ist an den Eckhölzern zusammen mit den Gummifüßen mit Holzschrauben befestigt. Ober- und Unterseite sind miteinander elektrisch leitend verbunden.


Skizze der Konstruktion
                      des Gehäuses
Skizze der Gehäusekonstruktion


Ansicht des Verstärkers ohne Schutzhaube
Ohne Haube: Blick auf die Röhren

Der Käfig zum Schutz der Röhren (...und der Finger) steht auf 4mm Stehbolzen und wird links und rechts von kleinen Magneten in Position gehalten. Die in das Chassis gebohrten Löcher rund um die Fassungen der Endröhren sorgen für die Abfuhr warmer Luft aus dem Inneren des Verstärkers. Die am Kolben der Röhren aufsteigende Luft zieht dabei Luft aus dem Gehäuse heraus. Die Lüftungsschlitze sind über den darunter eingebauten Spannungsreglern platziert, weil diese recht warm werden.


Blick in das Innere des Verstärkers
Blick in das Innere <Ansicht in groß>


Da werde ich noch viel Spaß damit haben :-)



Impressum

[Top | Home]