Röhren-Vorverstärker

Röhren-Vorverstärker

Zuerst ein allgemeiner Hinweis:
Ein Röhrengerät zu bauen ist kein „Spaziergang“! Im vorliegenden Fall haben wir es mit Spannungen bis gegen 500V zu tun. Das kann bei unsachgemässem Umgang TÖTLICH sein!!
Weiter sollte man schon einige Kenntnisse mitbringen und Grundregeln beachten. So muss jeweils bei JEDEM Bauteil abgeklärt werden, welche Spannungen da vorkommen können. Als Beispiel das Netzteil. Da sind zwei Zenerdioden mit 180V und 200V in Serie geschaltet. Der parallel geschaltete Kondensator hat also sicher 380V. Da reicht ein 63V Kondensator nirgends hin.
Und genau so sind die Widerstände zu beachten. Diese vertragen eine bestimmte Maximalspannung zwischen den Anschlüssen. Auch wenn aufgrund der Leistung diese Spannung überschritten werden dürfte, ist es aus Sicherheitsgründen (Funkenbildung, Spannungsüberschlag) nicht gestattet, diesen Spannungswert zu überschreiten. Reicht die angegebene Spannungsfestigkeit nicht aus, muss ein anderer Typ (höhere Leistung, vor allem grössere Abmessungen) eingesetzt werden.
Was da also jeweils zu verwenden ist, soll der Hobby-Nachbauer selbst abklären. Natürlich könnte ich für jedes Bauteil den Lieferanten heraussuchen, Printzeichnungen und Verdrahtungsunterlagen sowie Bohrpläne veröffentlichen. Aber das ist wie „Malen nach Zahlen“. Sowas macht doch letztlich keinen Spass.


Zur bereits vorgestellten Röhrenendstufe ist ein passender Vorverstärker sinnvoll. Dieser soll einen Line-Teil umfassen, mit welchem der Pegel schwächerer Geräte angehoben werden kann, der die Lautstärkeregelung bietet und ebenso einen Entzerrer-Vorverstärker.
Besonderes Augenmerk wurde dabei auf gute technische Daten grichtet und vor allem auch darauf, dass nicht Nachteile der Röhrentechnik den Genuss trüben. So ist die Ausgangsimpedanz für ein Röhrengerät extrem tief, sodass auch längere Leitungen und Transistorendstufen betrieben werden können.
Ebenso ist im Entzerrer-Vorverstärker auf ein minimales Rauschen geachtet worden.
Dass sich sowas nicht mit 10€ realisieren lässt, versteht sich. Dies ist nur schon von der Röhrenbestückung ausgeschlossen.

Zu den Schaltungsbesonderheiten ist zu sagen, dass im Netzteil einiges an Halbleitern verbaut ist. Damit wird für den Entzerrer eine Gleichstromheizung realisiert und die Anodenspannung wird verzögert hochgefahren.

Weiter ist im Entzerrerverstärker eine dreistufige Schaltung realisiert, welche durch die Parallelschaltung in der ersten Stufe eine Rauschminderung erlaubt, die das Rauschen gegenüber normalen Röhrenentzerrern deutlich verringert. Zweitens bietet diese Schaltung die Möglichkeit, die Entzerrkurve wesentlich besser einzuhalten, da die gegenseitige Beeinflussung der Zeitkonstantenglieder weit weniger stark ausfällt.

Im Line-Teil ist eingangsseitig eine Pentode verbaut, mit welcher genügend Verstärkung für eine kräftige Gegenkopplung realisiert werden kann. Der Ausgangsteil ist mit einer SRPP-Stufe bestückt, die mit parallel geschalteten Trioden aufgebaut ist. Damit ist die geringe Ausgangsimpedanz realisiert.

Optisch dominant sind die jeweiligen Oktalröhren 6SN7, welche einerseits (einmal) im Entzerrer eingesetzt sind, andererseits aber auch (doppelt) im Ausgangsteil.

Beginnen wir mal mit der Beschreibung der Schaltung des Entzerrer-Vorverstärkers.



Am Eingang sehen wir eine Doppeltriode, deren Systeme (Anode und Kathode) parallel geschaltet sind. Es handelt sich um eine E88CC.
Durch die Parallelschaltung hat die Röhre die gleiche Verstärkung wie eine Einzeltriode, dies aber an einem nur halb so grossen Anodenwiderstand. Das Rauschsignal addiert sich aber nicht gleich wie das Nutzsignal, sondern um 3dB schwächer, sodass das Rauschen dieser Stufe 3dB schwächer ausfällt als beim Einsatz nur einer Triode.

Da die Steilheit der Gesamtschaltung verdoppelt wird, nimmt natürlich auch die Schwingneigung zu. Um dies zu reduzieren, sind erstens die beiden Gitter getrennt über 100 Ohm angesteuert und zweitens führt von der Anode eine frequenzabhängige Gegenkopplung aus 10pF und 220 Ohm zu einer wirksamen Schwingbekämpfung.
Die verbundenen Anoden werden über 220nF an die zweite Stufe (6SN7) weiter verbunden. Hier erfolgt eine weitere Verstärkung des Signals, wobei die maximale Verstärkung der beiden Stufen durch die Gegenkopplung (15k + 1,5k + 82 Ohm zu 82 Ohm) vorgegeben ist. Sie beträgt im Maximum rund 46dB und liegt bei 1kHz bei etwa 26dB. Mit den Widerständen von 1,5k und 15k zusammen mit den 220nF werden die beiden tiefen Zeitkonstanten von rund 3180 Mikrosekunden und 318 Mikrosekunden gebildet.

An diese ersten beiden Stufen schliesst sich eine weitere Triode (6SN7) an, welche durch das Verhältnis von Rk zu Ra (0,39k + 0.82k zu 12k) eine Verstärkung von knapp 10 erreicht. Durch den Längswiderstand am Gitter von 100k zu den beiden 1,5nF-Kondensatoren (=750pF) wird die dritte Zeitkonstante gebildet.
Durch diese Aufteilung der Zeitkonstanten ist die gegenseitige Beeinflussung so gering, dass der gewünschte Frequenzgang recht genau eingehalten werden kann.
Die totale maximale Verstärkung beträgt 2005,5 entsprechend 66,044dB. Bei 1kHz ist die Verstärkung rund 46dB. Damit ist sichergestellt, dass auch eher leise Systeme genügend Pegel an die nachfolgende Vorverstärkerschaltung liefern können.

Auf die Besonderheiten wie dreistufige Schaltung, zweigeteilte Entzerrung und parallel geschaltete Eingangsröhre wurde bereits eingegangen.
Was an dieser Schaltung beachtet werden muss ist die relativ hochohmige Ausgangsimpedanz. Es ist zwar durchaus möglich, diesen Vorverstärker auch unabhängig aufzubauen, nur sollte die Eingangsimpedanz der nachfolgenden Schaltung grösser als 47k sein und es sollten möglichst geringe Lastkapazitäten vorhanden sein.

Die Speisung ist mit 400V vorgesehen. Damit ist die Möglichkeit gegeben, eine zusätzliche Siebung einzubauen, was die Stabilität der Schaltung erhöht und die Brummgefahr mindert. An der Speisung der 6SN7 liegen damit noch rund 312V an (nicht an der Anode!), an der E88CC rund 300V. Zumindest die 300V der E88CC sind eigentlich zu hoch, weshalb die Anodenspannung erst nach dem Aufheizen der Röhren eingeschaltet werden darf. Dies ist bei einem unabhängigen Aufbau der Schaltung zu beachten!!
Die Heizung hat mit Gleichspannung von 6,3V zu erfolgen.



Das zweite Schaltbild zeigt den Lineteil des Vorverstärkers. Am Eingang liegt üblicherweise ein Umschalter für verschiedene Quellen. Dieser ist nicht eingezeichnet, da es sich um einen einfachen Umschalter handelt, dessen Stellungen sich nach der Anzahl der anzuschliessenden Geräte richtet. Dies ist also jedem Hobby-Konstrukteur selbst überlassen.
Gezeichnet ist der Lautstärkeregler und anschliessend die erste Stufe mit einer EF86. An diese erste Stufe schliesst sich eine klassische SRPP-Schaltung an. Durch die parallel geschalteten Röhrensysteme ist ein Spitzenstrom von jeweils rund 40mA möglich. Wenn man von einer Nenn-Ausgangsspannung von 1V effektiv ausgeht, dürfte die Last bis auf einen Wert von rund 35 Ohm sinken, bis der Verstärker übersteuert wäre. Durch die Gegenkopplung vom Ausgang auf die Kathode der EF86 sinkt die Verstärkung von rund 2000 auf lediglich 6,32. Damit nimmt der Ausgangswiderstand der Schaltung von ursprünglich rund 200 Ohm auf rund 0,6 Ohm ab.
Natürlich verhindert der Wert von 2,2 Mikrofarad des Auskopplungskondensators den Anschluss zu niederohmiger Lasten. Aber durch die ganze Massnahme ist sichergestellt, dass selbst die Kapazität langer Leitungen den Frequenzgang nicht verbiegen kann.
Auf die SRPP-Technik möchte ich nicht weiter eingehen, diese habe ich unter anderem hier
http://files.hifi-fo...k/Roehrentechnik.pdf
beschrieben.
Trotzdem gibt es noch drei Punkte, die zu erwähnen sind.
Erstens ist in der Gegenkopplung ein Schalter vorgesehen, der (offen) eine Verstärkung von 16dB ergibt, geschlossen eine solche von 6dB.
Der Sinn ist, dass einmal damit die Lautstärke verringert werden kann, ohne dass am Regler gedreht werden muss (Telefon) und zweitens, dass der Pegel von lauten CDP und normalen Tunern angeglichen werden kann.
Falls die Lautstärkeschaltung nicht nötig ist, würde ich empfehlen, den Widerstand von 3,9k vorzusehen, ihn aber mit einem Jumper zu überbrücken. Dann hat man immer noch die Möglichkeit, die besser passende Verstärkung zu wählen.
Ausserdem wäre es auch denkbar, zwischen den Eingangsbuchsen und dem Eingangsumschalter eine Reihe von Trimmpotis (100k) vorzusehen, mit welchen die Pegel der verschiedenen Quellen auf einen Nenner gebracht werden.
Das Zweite betrifft die Kondensatoren von 68 Mikrofarad vom Ausgang zur Gegenkopplung. Da die ganze Geschichte relativ niederohmig ist, sind für eine lineare Wiedergabe grosse Kondensatoren nötig. Es sollten total mindestens 33 Mikrofarad eingesetzt werden. Jetzt gibt es sowas üblicherweise nur als Elkos. Ich habe aber bei Visaton Kondensatoren für Frequenzweichen gefunden, die erstens 250V Gleichspannung vertragen und zweitens die nötige Kapazität aufweisen. Da die Gleichspannung normalerweise an der Röhre 200V beträgt, ist keine Reserve vorhanden und bei einem Röhren-Teilausfall könnte es kritisch werden. Daher die Serieschaltung von 2 Kondensatoren. Wenn jemand aber Kondensatoren von 400V und 33 Mikrofarad (oder grösser) zur Verfügung hat, können auch solche verwendet werden.
Und drittens muss die Heizung der oberen Röhre jeweils auf die Kathodenspannung angehoben werden, weil Röhren nur eine bestimmte maximale Spannung zwischen Kathode und Heizung vertragen.
Man kann die Heizung z.B. auf halbe Betriebsspannung legen. Allerdings kann gelegentlich festgestellt werden, dass die Heizung mechanisch zu schwingen beginnt, was sich als Pfeifen bemerkbar macht. Wenn die Heizung aber relativ starr mit der Kathode verbunden ist, sollte dies nicht passieren. Zu diesem Zweck ist ein Ausgang an der oberen Kathode gezeichnet, der seine Fortsetzung im Netzteilschema findet.



Schema drei zeigt den Netztrafo, die Gleichspannungserzeugung für den IC und die Gleichrichtung und Regelung der Heizspannung.
Es handelt sich um einen speziellen Netztrafo, den man so nicht von der Stange kaufen kann. Immerhin hat er 6 Sekundärwicklungen, drei davon mit Mittelabgriff. Wenn man sich im Netz umschaut findet man immer Trafofirmen, die solche Dinger nach Kundenspezifikationen herstellen. Hier mal die Daten:
Leistung dauernd 125VA
Sekundär 1 = 320V / 0.2A
Sekundär 2 = 24V / 0.05A
Sekundär 3 = 6.3V / 1.6A mit Anzapfung
Sekundär 4 = 6.3V / 0.6A mit Anzapfung
Sekundär 5 = 6.3V / 0.6A mit Anzapfung
Sekundär 6 = 15V / 2.7A

In diesem Schaltbild sind wie erwähnt auch die Gleichrichter für die IC-Speisung und die Röhrenheizung enthalten. Zu beachten ist, dass beim 24V Gleichrichter trotz des an sich geringen Stromes ein Gleichrichter verwendet wird, der rund 1A Strom liefern kann. Dies deshalb, weil im Einschaltmoment die Elkos geladen werden müssen.
Aus dem selben Grund sollte der 15V Gleichrichter auch etwa 10A liefern können.
Die Stabischaltung mit dem LM317 und den beiden LM195 entstammen dem Datenblatt des 317
http://www.ortodoxis...nductor/DS009063.PDF
und wurde auf die herrschenden Verhältnisse angepasst.
Der LM317 wie auch die beiden LM195T sind ISOLIERT MONTIERT auf eine entsprechenden Kühlkörper anzubringen.



Das vierte Schaltbild zeigt das Stabi-Teil mit Einschaltverzögerung der Anodenspannung.
Oben ist die Gleichrichtung eingezeichnet mit dem Lade- und Siebelko von je 470 Mikrofarad.
Links davon befindet sich die Einschaltverzögerung (Zeitkonstante), rechts davon mit T1 bis 3 die eigentliche, verzögerte Einschaltung und anschliessend mit T4 bis 8 die Stabilisierung der Anodenspannung.

Zur Schaltung im Einzelnen:
Die beiden OPV des TL072 dienen der Zeitkonstante. Dabei bildet der linke OPV einen Millerintegrator. Sein Noninverseingang liegt fest auf halber Betriebsspannung. Durch die 5 mal 8,2M an +24V gelegt, wird der Inverseingang hoch gezogen. Der OPV-Ausgang ist normalerweise auf halber Speisung, also bei 12V. Die 10 Mikrofarad am Ausgang werden nun langsam aufgeladen und zwar aus dem OPV-Ausgang und über die total 41M gegen +24V. Dabei bleibt die Ausgangsspannung des OPV solange auf 12V, bis der Kondensator selbst mit 12V geladen ist. Sobald dies passiert, sinkt die Ausgangsspannung des OPV stetig.
Der Ausgang dieses OPV ist an den Inverseingang des zweiten OPV angekoppelt, welcher durch das Widerstandsverhältnis von 10K zu 100K eine zehnfache Verstärkung aufweist. Da sein Noninverseingang auf einer festen Spannung von 7,65V gehalten wird, die Spannung des ersten OPV am Anfang aber bei 12V liegt, liefert der Zweite am Ausgang praktisch 0V (er invertiert). Sobald die Spannung am Ausgang des ersten unter die 7,65V fällt, steigt die Ausgangsspannung des zweiten an und über die Diode wird der erste OPV zur schnelleren Ladung des Kondensators gedrängt.
Über die Zenerdiode (12V) und die 10k wird T1 leitend, sobald U Out des OPV 2 über 12V angestiegen ist. Damit werden die beiden Transistoren T2 und T3 leitend und schalten die hohe Spannung an die eigentliche Stabilisierungsschaltung durch.

Theoretisch könnte man die hohe Betriebsspannung auch mit nur einem Transistor durchschalten, nur sind PNP-Transistoren für so hohe Spannungen kaum erhältlich. Darum sind hier zwei Transistoren in Serie geschaltet.Der Emitter von T2 liegt an der vollen Betriebsspannung von rund 450V, sein Kollektor an einer Spannung von 225V, weil ja die volle Spannung mit dem Teiler aus 2 mal 100k halbiert wird. Und an diesem Punkt liegt auch der zweite Emitter, sodass T3 folglich im gesperrten Zustand auch nur die halbe Spannung bekommt.
Da die beiden Basisspannungen von T2 und T3 im gesperrten Zustand unterschiedlich sind, sind sie durch die Dioden entkoppelt.
Sobald T1 leitet, zieht er die Basen von T2 und T3 gegen Masse, sodass auch diese beiden leiten und damit die volle Betriebsspannung weitergeben.

T7 und 8 bilden einen spannungsfesten Darlington-Transistor, der für die eigentliche Ausgangsspannung als Längstransistor zuständig ist. Der Emitterwiderstand von 1.5 Ohm zusammen mit den beiden Dioden an der Basis von T8 bilden eine Strombegrenzung. Damit ist sichergestellt, dass ein kurzfristiger Kurzschluss nicht zur Zerstörung der Regelschaltung führt. Allerdings ist die Schaltung nicht dauer-kurzschlussfest. Im normalen Betrieb ist die Leistung, die T8 zu übernehmen hat, mit 6.3W anzunehmen, im Kurzschlussfall wären dies aber rund 160W. Nun wäre es Unsinn, einen Kühlkörper zu verwenden, welcher diese Leistung abtransportieren könnte, wie dann auch mindestens zwei Transistoren parallel betrieben werden müssten. Es macht daher mehr Sinn, die Anodenversorgung durch eine Sicherung zu schützen. Kurzfristig verträgt der Transistor den Strom und die Leitung und bis es kritisch werden könnte, hat die Sicherung ausgelöst.

Zu erwähnen ist noch die Diode parallel zu T8. Diese führt die Ladung der Siebelkos (100 Mikrofarad und diverse im Phono-Vorverstärker) beim Ausschalten an den Netzteil-Eingang zurück, damit T8 nicht durch eine Falschpolung zerstört wird.

T6 ist ein als Strombegrenzer geschalteter Treibertransistor für T7. Die Basisspannung ist dabei durch die beiden Dioden begrenzt und die Strombegrenzung übernimmt der Emitterwiderstand. Im Normalfall fliesst an diesem Transistor ein maximaler Kollektorstrom von rund 3mA. Dies reicht aus, um die Darlington-Ausgangsstufe anzusteuern.
Die eigentliche Regelung geschieht durch T5, welcher die Basisspannung von T6 reduziert und damit dessen Maximalstrom bis auf Null verringert. Angesteuert wird T5 von T4, welcher die Ausgangsspannung mit den Zenerdioden von total 380V reduzierend aus dieser Spannung die Basisspannung bezieht und so T5 mehr oder weniger leitend macht.

Dieser ganze Aufwand wird getrieben, damit eine möglichst brummfreie Betriebsspannung zur Verfügung steht, dass die Betriebsspannung zur Schonung der Röhren erst dann einschaltet, wenn die Röhren aufgeheizt sind und dass die Betriebsspannung trotz einer maximalen Anodenspannung von 400V nicht über 500V werden kann. Bei Spannungen über 500V wird das Beschaffen von spannungsfesten Elkos ein Problem oder es müssen wie bei der Endstufe Elkos in Serie verwendet werden.

Es versteht sich, dass T8 auf einen Kühlkörper zu montieren ist, der für etwa 25W ausreichend sein sollte. Damit ist die Temperatur im Normalbetrieb niedrig genug, dass auch bei einem Kurzschluss nicht gleich eine Übertemperatur T8 zerstört. Und es versteht sich auch, dass T8 ISOLIERT zu montieren ist.

Ich gebe bewusst keine genauen Anleitungen, wie das Ding aufzubauen ist und wie es auszusehen hat. Das überlasse ich jedem Einzelnen. Es gibt aber gewisse Richtlinien, die Sinn machen. Zur Verdeutlichung ein Vorschlag:



Rechts hinten sitzt der Netztrafo mit Netzanschluss und Sicherungshalter für das Netz und die Anodenspannung.
Die übrigen Sicherungen sind rückseitig unter einer Abdeckung eingebaut. Es genügen die üblichen, zweiklemmigen Sicherungshalter. Diese werden vorteilhafterweise auf einer Isolierplatte montiert.
Vorne rechts befindet sich der Netzschalter. Die Verbindung zum Natzkabel, zur Sicherung und zum Trafo kann in einem Metallrohr verbaut werden, um sicher allfällige Störungen auszuschliessen.

Links neben dem Netztrafo sind die beiden Hochspannungselkos. Die übrigen Anodenspannungselkos können im Bereich des Netzrafos untergebracht werden.
Links der Becherelkos befindet sich der Kühlkörper. Dieser wird auf einen Ausschnitt im Chassis montiert und die zu kühlenden Halbleiter werden von unten in diesem Ausschnitt angebracht. Damit ist sichergestellt, dass die Wärmeabfuhr genügt und dass es von aussen keine Berührungsmöglichkeit mit den hohen Spannungen gibt.

Unter diesem Kühlkörper ist das gesammte Netzteil unterzubringen. Hier ist eine Verdrahtung per Print angesagt. Sicherheitshalber würde ich unter diesen Print noch eine an Masse gelegte Metallplatte montieren, weil letztlich die Verbindung zwischen den Buchsen und dem Verstärkerteil da durchführt.

Die Buchsen sind rückseitig im Bereich des Netzteils anzubringen, von vorne gesehen links jene für Phono. Diese sind ISOLIERT zu montieren, während die anderen Cinchbuchsen die Masseverbindung zum Gehäuse darstellen. An diesem Punkt bei den Line-Eingängen ist auch die Masseschraube für die Plattenspielererde vorzusehen.

Dieser Massepunkt ist mit dem eigentlichen Sternpunkt für Netzteil und Line-Verstärker verbunden, der durch den 100 Mikrofarad der Anodenspannungsregelung gebildet wird. An diesem Elko (nicht am Chassispunkt!) ist die Masse der beiden Netzelkos 470 My 500V angeschlossen, sowie alle Massepunkte der Regelung (Printmasse).Die Massen der verschiedenen Heizschaltungen sind ebenfalls an diesem Stern angeschlossen. Ebenso der Ausgangs-Massepunkt des Entzerrervorverstärkers (Kathodenwiderstand der letzten Röhre und 470My Elko)
Im Entzerrervorverstärker wird die Masse von diesem Ausgangs-Massepunkt geradlinig mit einem eigenen, dicken Massedraht durch die Schaltung geführt bis zum Siebelko der ersten Stufe, dem Kathodenwiderstand (82 Ohm) und den Gitter-Bauteilen. Ab hier wird das Eingangskabel zur Buchse geführt und dort angeschlossen.
Diese gemischte Art der Masseführung hat einige Vorteile. Magnetische Brummeinstreuungen auf den Entzerrerteil, die sehr kritisch sind, werden durch die parallele Einwirkung auf Signal- und Massepfad ausgeblendet. Andererseits ist die Sternmassung im Netzteil und im Lineteil vorteilhaft, um Brummschleifen zu verhindern. Um beides zu erreichen, dürfen keine Masseverbindungen zwischen Chassis und Entzerrteil vorhanden sein.

Beim Aufbau erscheint es mir noch vorteilhaft, die E88CC mit Abschirmkappen zu versehen. Weiter MUSS die jeweils obere 6SN7 des Line-Ausgangs näher beim Netztrafo sitzen, da hier die Einstreugefahr wesentlich geringer ist.

Zu erwähnen ist, dass ich dieses Ding nicht gebaut habe, sondern dass es nur auf Berechnungen basiert, wie alle meine (bisher erfolgreich nachgebauten) Röhrenschaltungen. Sollte sich die Notwendigkeit zu kleinen Anpassungen ergeben, wird dies hier veröffentlicht.