Röhren-Kopfhörerverstärker mit PCL805

Naja, irgendwie hatten mich Röhren schon länger fasziniert, und irgendwann wollte ich mir mal eine schöne Schaltung mit Röhren bauen. Das "klassische" Anwendungsgebiet ist natürlich der Audio-Bereich, sprich ein schöner Audio-Verstärker. Als Einstieg hab ich mir denn einen Kopfhörerverstärker ausgesucht, da das für den Anfang doch übersichtlicher ist als gleich mit einem "großen" Lautsprecher-Amp zu starten. So einer folgte aber als Nächstes und ist inzwischen auch schon fertig, siehe mein Röhrenverstärker mit EL34.

Der Amp ist keine eigene Entwicklung, nein, ich hab einfach im Netz gestöbert und mir eine schöne und geeignet erscheinende Schaltung ausgesucht und leicht adaptiert. Letztendlich fündig wurde ich auf Jogi's Röhrenbude, wo sich eine Schaltung mit zwei PCL805 (pro Kanal) im Gegentakt-Betrieb findet (siehe unter Verstärker - PCL 805-Kopfhörer-Amp). Die Vorteile dieser Schaltung:

Den Netztrafo habe ich bei Jan Wüsten eigens wickeln lassen, die Röhren sind in seinem Shop erhältlich.

ACHTUNG !!
Wer diese Endstufe nachbauen und betreiben will, sollte genau wissen was er tut. Im Gerät wird die Netzspannung sowie die Anodenspannung für die Endstufenröhren (375V) frei geführt. Ein unsachgemäßer Umgang damit ist lebensgefährlich! Auch nach dem Ausschalten muss gewartet werden, bis die Elkos entladen sind (mit Multimeter prüfen), bevor man am Gerät weiterarbeitet! Ich übernehme keine Haftung für Schäden, die beim Nachbau entstanden sind!

Erster Aufbau - wir bügeln uns ein Layout!

Der Schaltplan war schnell in Target3001 aufgenagelt und in ein Layout verwandelt. Doch blöd: Gerade als es ans Erstellen der Platine ging, fiel mir auf, dass ich die Kapazität meines Platinenlagers überschätzt hatte: Keine fotopositiv beschichteten Platinen in der passenden Größe vorhanden. Mist! Jedoch hatte ich noch kupferbeschichtete Platinen OHNE Fotolack, und da fiel mir ein, dass ich mal von der "Tonertransfer-Methode" gelesen hatte. Das Layout wird mit einem Laserdrucker ausgedruchkt und mit einem Bügeleisen auf das Kupfer der Platine aufgebügelt. Anschließend das Papier mit Spülmittel vorsichtig abrubbeln, und der Toner bedeckt die Bahnen, die beim Ätzen stehen bleiben sollen.

Schaltungsbügler

Nähere Infos hierzu hat zum Beispiel Thomas Pfeifer auf seiner Seite. Was soll ich sagen: Es hat geklappt! Auch wenn die Kantenschärte nicht die Allerbeste ist und ich die eine oder andere Bahn nachträglich ausbessern musste - für's erste Mal war das gar nicht schlecht.

Stromhungrig

Das erste Einschalten - noch ohne angeklemmte Anodenspannung - verlief gut, die Heizung der Röhren begann zu glühen, alle Spannungen waren innerhalb der Toleranz, so dass ich nach dem Ausschalten die Anodenspannung aktivierte und erneut einschaltete. Nicht ohne Amperemeter dazwischen - wahrscheinlich habe ichs geahnt: Sobald die Röhren auf Temperatur kommen, steigt der Anodenstrom immer weiter an ... Also schnell das ganze Moped wieder abgeschaltet. Da stimmt dann wohl doch was nicht.

Prototypenaufbau

Die Fehlersuche hat etliche Nerven gekostet, immer wieder hab ich den Aufbau überprüft, mit dem Schaltplan verglichen... nichts! Alles so, wie es sein sollte. Nach einer weiteren Woche war ich kurz davor, das Projekt aufzugeben, doch als letzten, verzweifelten Schritt habe ich mir das Original-Layout auf Jogi's Seite angesehen und mit dem Schaltplan nachvollzogen - HUPS, da ist ja ein Kondensator, wo im Schaltplan keiner ist! Ja logisch, ohne den ist ja die untere Röhre gleichspannungsmäßig auf dem falschen Arbeitspunkt und steuert voll auf! Das hätte man am Schaltplan eigentlich gleich sehen können, aber manchmal sieht man eben den Wald vor lauter Bäumen nicht...

Hier der originale Plan von Jogi's Seite mit meiner Korrektur:

Korrigierte Schaltung

Siehe da, kaum war der Kondensator eingebaut, lief die Schaltung, der Anodenstrom blieb innerhalb seiner Grenze. Zur Sicherheit noch einen letzten Test, Signalgenerator an den Eingang, 330 Ohm-Lastwiderstand und Oszi an den Ausgang, und geschaut was der Amp macht. Sieht prinzipiell gut aus, das Signal kommt schön verstärkt raus, aber es ist ein deutlicher Brumm zu sehen. Das bestätigt dann auch der Hörtest mit MP3-Player und Kopfhörer - er funktioniert, aber er brummt wie eine Tüte Hummeln ...

Brummbär

Was also tun ?

Ein zweiseitiges Layout sollte her, mit dicker Massefläche auf einer Seite. Denn meine Vermutung war, dass es sich um ein reines Masseproblem handelt. Außerdem sollten die Heizleitungen komplett aus der Platine raus und frei verdrahtet werden, um Spannungsabfälle über der Masse zu vermeiden. Das Umsetzen des Layouts war jedoch nicht so einfach: Eine zweiseitige Platine musste ich machen lassen, das Selbst-Ätzen war mir doch zu heikel, da die Platine doch recht groß ist und so die Deckungsgleichheit beider Lagen schwierig wird. Target3001 konnte ich, da es sich um die PCBPool-Edition handelte, nur in Verbindung mit dem PCBPool nutzen, und die Jungs sind nicht grad billig ...

Ich entschied mich deshalb für einen Versuch mit KiCAD, einem freien, unter der GPL-Lizenz veröffentlichen CAD-Programm für die Leiterplattenentwicklung. Leiterplattengröße quasi unbegrenzt, viele freie Bibliotheken von anderen Usern, das klingt doch echt gut, oder ?

KiCAD

Um es vorwegzunehmen: es brauchte einige Zeit, bis ich mit der damaligen KiCAD-Version (aus dem Jahr 2005) warm wurde ... Zunächst die üblichen Einarbeitungshürden, bis man die Philosophie des Programms verstanden hat, und dann gab es auch noch den ein oder anderen Bug, der einem das Leben nicht ganz so leicht machte. Inzwischen hat sich da zum Glück einiges getan, und heute nehme ich privat eigentlich nur noch KiCAD. Man hat eben keine Einschränkungen hinsichtlich Pinanzahl etc., kann direkt Gerber-Files erzeugen und ist somit auch nicht an einen Platinenhersteller gebunden.

Zurück zum Thema - irgendwie hab ich dann die Platine doch hingefriemelt bekommen, und nach drei Wochen Wartezeit lag sie dann in meinem Briefkasten. Bestellt hatte ich sie bei LeitOn, die einen guten Eindruck machten und laut Onlinekalkulator einen der günstigsten Preise hatten.

Siehe da, nach dem "Umzug" der Bauteile von der alten Platine auf die neue und dem erneuten Durchlaufen der Inbetriebnahmetests folgte der erste Hörtest, und das Brummen war deutlich verringert, aber leider halt immer noch nicht ganz verschwunden ...

Der Durchbruch

Den wirklichen Durchbruch brachte dann ein Tip von Helmut Weigl, der - unabhängig von mir - auch einen Nachbau des Verstärkers wagte und ebenfalls über das Problem mit den fehlenden Kondensatoren gestolpert ist. Meine Seite half ihm bei den Kondensatoren, und im Gegenzug gab er mir Tips zur Verminderung des Brummens. Wenn das keine Hilfe unter Bastlern ist - Vielen Dank, Helmut!

Ganz wichtig ist die Masseführung an den Eingängen der beiden Operationsverstärker. Dort sollte für jeden Kanal ein zentraler Massepunkt sein, auf den sich sowohl der Spannungsteiler vom Audioeingang als auch der von der Rückkopplung und vom Kopfhörerausgang beziehen. Kurzerhand hab ich diese Masseführung hergestellt, indem ich die Masseleitungen vom Poti aufgekratzt und mit Draht direkt an die OpAmps gelegt habe. Siehe da, der Kollege brummt nicht mehr! Bingo!!

Layout, die Dritte ...

Im Oktober 2012 hab ich die bisherigen Erkenntnisse in ein neues Layout umgesetzt, damit ihr den Verstärker einfach und erfolgreich nachbauen könnt. Dort ist die Masseführung nochmals geändert, es ist ein zweiseitiges Layout OHNE Massefläche, so dass man theoretisch den Amp auch auf einer einseitigen Platine nachbauen kann, wenn man die fehlenden Verbindungen dann mit Draht legt. Außerdem hab ich einige der Ideen von Helmut eingebracht und das Netzteil nochmal geändert, so dass die Betriebsspannungen sauberer (ohne Brummspannungen) sind (mit Ausnahme der 350V, dort hat eine kleine Brummspannung keinen Einfluss auf das Brummen am Ausgang). Außerdem ist ein neues Lautstärkepoti von ALPS eingefügt, das einen besseren Gleichlauf hat und hoffentlich länger durchhält -- das Billig-Poti aus dem alten Verstärker fing schon an, zu kratzen ...

Ich hab diese Platine beim PCB-Joker bestellt, wo sie für 60€ zu haben ist. Der Gag bei dieser Firma ist, dass man nicht weiß, was man bekommt - es kann eine Leiterplatte zwischen 0,5mm und 2,0mm Dicke sein, mit beliebig farbigem Lötstoplack. Während das mit der Farbe kein Thema ist, hatte ich mit der Dicke leider Pech - ich hab ausgerechnet eine 0,5er bekommen. Aus diesem Grund musste ich bei mir eine zusätzliche Befestigung in der Mitte der Platine anbringen, bei einer normalen 1,5mm-Platine ist das nicht notwendig.

Hier gibt es die vollständigen Unterlagen zum RKV zum Download. Das Archiv enthält das KiCAD-Projekt, die Gerberfiles zum direkten Bestellen der Platine, eine umfassende Stückliste sowie die Frontplattendateien für das Gehäuse (kann direkt bei Schaeffer bestellt werden).

Aufbau und Inbetriebnahme

Nach dem Aufbau des Verstärkers und Kontrolle der Bestückung (die Röhren werden noch nicht bestückt!) sollte man zunächst nur die 36V-Wicklung des Trafos anschließen und den Verstärker einschalten. Dann sollte man folgende Spannungen kontrollieren:

Sind alle Spannungen soweit in Ordnung, stellt man mit dem Poti RV2 über C4 eine Spannung von ca. 3,5V ein, genauso mit RV3 3,5V über C17.

Jetzt kann man den Amp wieder abschalten und die Hochspannung vom Trafo zusätzlich anklemmen. ACHTUNG, ab jetzt wird es gefährlich!! Nach dem Einschalten sollte man über C36 eine Spannung von ca. 375V messen (diese Spannung ist noch höher als später im Betrieb, da noch keine Röhren gesteckt sind und somit noch kein Anodenstrom fließt). Ist auch diese Spannung in Ordnung, kann man den Amp abschalten, WICHTIG: warten, bis C36 auf eine ungefährliche Spannung entladen ist, und anschließend die Röhren einsetzen.

Schaltet man den Amp jetzt an, sollten die Röhren aufheizen. Während der Aufheizzeit ist am Kopfhörerusgang ein kräftiges Schwanken der Ausgangsspannung zu sehen, das sich nach Ende der Aufheizzeit beruhigen sollte. Um den Amp ordnungsgemäß abzugleichen, wird an den Eingang ein Funktionsgenerator (1kHz, Sinus) und an den Ausgang ein Lastwiderstand (300 bis 400 Ohm, 5 Watt) plus Oszilloskop angeschlossen. Jetzt wird die Amplitude des Generators langsam erhöht (Lautstärkepoti nicht vergessen), bis das Signal am Ausgang zu verzerren beginnt und die Spitzen des Sinussignals abgekappt werden. Mit dem Poti des jeweiligen Kanals wird dann der Verstärker so eingestellt, dass die Verzerrung symmetrisch ist, d.h. positive und negative Halbwelle des Sinus werden gleichmäßig abgeschnitten. Der andere Kanal wird auf die gleiche Weise eingestellt.

Wer kein Oszi / Funktionsgenerator hat, kann das Poti auch einfach so einstellen, dass über den Ausgangselkos (C13/C26) etwa 150V anliegen. Dann sollte man in etwa in der Mitte des Aussteuerbereichs liegen.

Noch ein paar Tips ...

Hier noch einige Infos und Tips zum Nachbau. Im ZIP-Archiv ist eine Stückliste enthalten, die so ziemlich alles enthalten sollte, was man beim Nachbau braucht. Dort sind auch Bezugsquellen und aktuelle Preise angegeben. Nicht vom Preis abschrecken lassen, dort sind wirklich ALLE Teile enthalten inkl. nach Wunsch gefertigtem Trafo, Platine und Gehäuse, außerdem sind einige Sachen nur in größeren Stückzahlen zu bekommen (Schrauben etc.). Hier kann man also auf jeden Fall noch sparen.

Beim Nachbau sollte man drauf aufpassen, dass die gesamte Audiosignalkette wenn überhaupt dann nur an einem Punkt geerdet (mit dem Schutzleiter verbunden) werden sollte. Das Gehäuse ist so designed, dass dieser Massepunkt an der Kopfhörerbuchse liegt; die Cinchbuchsen hingegen sind zum Gehäuse isoliert. Ist der Rest der Audioanlage irgendwo geerdet, kann man sich unter Umständen schnell Brummschleifen einfangen; dann sollte man kucken, wo die Masseschleife liegt und diese aufbrechen.

Auch die Metallachse des Potentiometers sollte man wenn möglich erden, da es sonst sein könnte, dass es beim Berühren des (metallischen) Potiknopfes im Kopfhörer knackt.

Nicht wundern, wenn ihr den Kopfhörer aufhabt und den Verstärker einschaltet; zu Beginn während der ersten 10-20 Sekunden hört man ein illustres Brummkonzert, bis die Röhren ihre Betriebstemperatur haben. Im Anschluss sollte der Verstärker aber Ruhe geben - zumindest, was das Brummen betrifft...

Und jetzt natürlich die alles entscheidende Frage:

Wie klingt er denn nun??

Saugut, möchte ich sagen ! Zusammen mit meinem Sennheiser HD570 ein echt starkes Duo. Schöner Klang, gut ausgeprägte Bässe, so muss es sein. Und es ist wirklich so, dass man bei bekannten Songs immer wieder kleine Details hört, die einem vorher noch nicht aufgefallen sind. Für mich hat sich der Bau also auf jeden Fall gelohnt.


Bilder vom Aufbau

Hier folgen noch ein paar Fotos vom Aufbau und vom Innenleben des RKV:

Ansicht von vorne

Ansicht von vorne ...

Ansicht von hinten

... und von hinten.

Innenansicht

Innenansicht des RKV.

Platine im Detail

Die Platine im Detail. In der Mitte die für die 0,5mm-Platine notwendige zusätzliche Befestigung.


Bilder von Nachbauten

Januar 2014: Stefan hat den Kopfhörerverstärker mit einem eigenen Layout nachgebaut und zusätzlich noch eine Schaltung zur Lautstärkeregelung über ein Motorpoti eingefügt, die per Infrarotfernbedienung ferngesteuert werden kann. Das Gehäuse ist selbst gebaut. Ein wirklich schickes Teil! Die kompletten Unterlagen zu diesem Nachbau könnt ihr hier herunterladen. Vielen Dank an Stefan für das Bereitstellen!

Stefans RKV (1)
Stefans RKV (2)
Stefans RKV (3)
Stefans RKV (4)

März 2013: Thomas hat das aktuelle, dritte KiCAD-Layout verwendet. Die Platine hat er selbst hergestellt, indem er einfach Vorder- und Rückseite getrennt auf zwei einseitigen Platinen hergestellt und diese dann Rücken an Rücken aneinandergesetzt hat. Das Gehäuse ist aus Leimholz mit Bambusholzbeschlag, Front- und Rückplatte aus grau gestrichenen 3mm MDF-Platten. Sehr schön geworden!

Hinweis: In den Bildern ist ein Eurostecker ohne Schutzleiter zu sehen. Aufgrund der berührbaren Metallflächen und der hohen, im Gerät geführten Spannungen rate ich unbedingt dazu, den Verstärker MIT Schutzkontakt auszuführen: SAFETY FIRST! Außerdem sollte das Kabel am Gehäuseeingang durch eine Gummitülle etc. geführt und mit einer Zugentlastung versehen sein, sonst könnte sich das Kabel durchscheuern und die Leiter Kontakt zum Gehäuse bekommen.

Thomas RKV (1)
Thomas RKV (2)
Thomas RKV (3)
Thomas RKV (4)