2x50W-HiFi-Röhrenverstärker mit EL34

14.06.2009

Das (damalige) neu entstandene Herzstück meiner HiFi-Anlage war eine Stereo-Röhrenendstufe mit einer Leistung von 2x50 Watt, ausgestattet mit insgesamt vier EL34-Endstufenröhren sowie zwei ECC81- und ECC82-Vorstufenröhren. Den zugehörigen (und notwendigen) HiFi-Vorverstärker, im Bild unter dem Röhrenverstärker zu sehen, beschreibe ich auf einer eigenen Seite.

ACHTUNG !!
Wer diese Endstufe nachbauen und betreiben will, sollte genau wissen was er tut. Im Gerät wird die Netzspannung (325V, gleichgerichtet) sowie die Anodenspannung für die Endstufenröhren (500V) 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!

Bedienung und Aufbau

Da es sich bei dem Verstärker um eine reine Endstufe handelt, ist der Aufbau sehr einfach gehalten. Es gibt frontseitig als Bedienelemente nur einen Netzschalter und zwei Potis zum Einstellen der Lautstärke für die beiden Stereokanäle (durch die getrennte Regelbarkeit kann man so natürlich gleichzeitig die Balance einstellen).

Auf der Rückseite sind pro Kanal drei Lautsprecherklemmen (Masse, 4 und 8 Ohm), zwei Cinch-Buchsen als Eingang, eine Kaltgerätebuchse sowie ein Sicherungshalter für die Haupt-Netzsicherung zu finden.

Schaltung

Warum das Rad neu erfinden, gibt es doch im Internet eine Fülle fertiger und erprobter Schaltungen von Röhrenendstufen. Ich hab mich also durch den Dschungel gekämpft und eine "schöne" Schaltung herausgesucht, die es dann werden sollte. Meine Wahl fiel schließlich auf die Röhrenendstufe von ELV, einen 2x50W-Stereoverstärker, deren Schaltungsdesign ich quasi 1:1 übernommen habe. Dabei handelt es sich um eine EL34-Gegentaktendstufe in Ultralinearschaltung.

Hier das Bild eines ersten Versuchsaufbaus mit den bereits fertig erstellten Platinen. Am Ausgang der Endstufe hängt ein 4 Ohm-Lastwiderstand, bei einer Ausgangsspannung von ca. 7,5V leistet die Endstufe hier also P = U^2 / R = (7,5V)^2 / 4 Ohm = 14 Watt. Da hier noch ein anderer Trafo dran war, konnte ich hier noch mit der Gleichspannungsheizung fahren.

Die Schaltung ist auf drei Platinen aufgebaut, zwei (identische) Endstufenplatinen (im Bild rechts, auf den Holz-Stelzen) für jeden Stereo-Kanal sowie eine große Netzteilplatine (im Bild links), die die benötigten Spannungen für beide Endstufen bereitstellt. Die Pläne gibt es hier zum Download:

• Gesamtaufbau und Verdrahtungsplan (PDF)
• Schaltplan und Layout der Endstufe (1 Kanal, PDF)
• Schaltplan und Layout des Netzteils (PDF)
• Stückliste für 1 Endstufenplatine (PDF)
• Stückliste der Netzteilplatine (PDF)

Die Stücklisten enthalten Bestellbezeichnungen von Reichelt Elektronik sowie die damaligen Preise, die zum Teil möglicherweise nicht mehr aktuell sein könnten.

Wie gesagt ist alles größtenteils von der originalen ELV-Schaltung übernommen. Ich hatte allerdings angedacht, die Vorstufenröhren (ECC81 und ECC82) mit einer Gleichspannungsheizung zu betreiben (siehe roter Kasten im Netzteilschaltplan). Das hat jedoch leider nicht funktioniert, da der eingesetzte Ringkerntrafo eine zu geringe Ausgangsspannung hat und so der LM317 nicht anständig regeln kann. Darum ist der gesamte Teil für die DC-Heizung wieder rausgeflogen und ich habe bei einer Endstufe statt dem Brückengleichrichter nur zwei 100 Ohm-Widerstände bestückt, um die Heizspannungen potentialmäßig an die Masse der anderen Spannungen zu knüpfen. Die andere Endstufe trägt noch einen Brückengleichrichter plus Siebelko, da aus ihr die Spannung für die Einschaltverzögerung erzeugt wird.

Trafos

Der ganze Verstärker sollte möglichst ohne Spezialbauteile auskommen, selbst die Röhren gehören eher zu den Standard-Röhren, wie sie auch heute noch in vielen Röhrenamps (auch und besonders bei Gitarrenverstärkern) eingesetzt werden.

Bleiben also nur noch die Trafos. Der Ringkern-Netztrafo, der die Anodenspannungen, die Gittervorspannungen und die Heizspannungen für beide Kanäle erzeugt, ist der originale Trafo von ELV. Leider war dieser schon beim Bau meines Amps nur noch schwer lieferbar, wer den Amp also nachbauen will, wird vermutlich nicht drumrumkommen, da einen Ersatz zu suchen.

Abhilfe kann unter Umständen eine Firma bieten, bei der ich auch die Ausgangstrafos erstanden habe. Auch hier hab ich lange gesucht und schließlich die Firma Ritter ausfindig gemacht, die eine Vielzahl an Trafos für die unterschiedlichsten Verstärkertypen zu einem günstigen Preis anbietet. Die von mir eingesetzten Trafos sind vom Typ RTP060.43/8/4H (HighEnd-Variante mit niedrigerer, unterer Grenzfrequenz) und kosten knapp 100 Euronen das Stück ("normale" HiFi-Variante ca. 75 Euro).

Gehäuse

Das Kniffligste am Bau des Amps war eigentlich die Konstruktion eines passenden Gehäuses. Ist ja eh klar, dass es hier keins von der Stange sein kann, wenn man schon sowas Edles wie einen Röhrenamp baut, dann muss auch eine ansprechende Verpackung dafür her. Nach einiger Tüftelei hab ich mich für eine Mischung aus Holz und Aluminium entschlossen - ein Holzrahmen bildet das Grundgerüst, während Front-, Rück- und Deckplatten aus eloxiertem Aluminium die eigentliche Elektronik tragen.

Um das Gehäuse zu designen, habe ich mich an Sketchup vergriffen. Das ist eine Software, mit der man ohne große Einarbeitungszeit 3D-Modelle erstellen und zeichnen kann - damit kommt auch ein Dödel wie ich zurecht ;-)

Die Aluplatten habe ich bei Schaeffer in Berlin machen lassen. Zum Designen kann man die Freeware Frontplatten-Designer herunterladen, und nach dem Upload der damit generierten Fertigungsdaten an die Firma hat man das Ergebnis innerhalb von ca. zwei Wochen in der Hand.

Wer möchte, kann sich die fertige Zeichnung im Sketchup-Format hier herunterladen. Die Design-Files für die Aluminiumplatten (Front-, Rück- und Deckplatte) ham wa auch da.

Einen entsprechenden Ausdruck hab ich dann zum örtlichen Schreiner gegeben, der mir die Holzgerüste für die Gehäuse der Endstufe und des Vorverstärkers angefertigt hat:

Aufbau

Nachdem das Gehäuse soweit bereit war, begann der Einbau der Komponenten. Als Erstes die Trafos, die das Gewicht gleich mal ordentlich anwachsen ließen. Der Ringkerntrafo ist mit Schleifpapier bearbeitet und mit Effektlack aus der Sprühdose verschönert worden. Für die Ausgangstrafos habe ich bewusst keine Trafo-Abdeckkappen verwendet, vielleicht rüste ich die irgendwann mal nach, aber im Moment gefällt mir das ganz gut so.

Es folgen die Bedienelemente, auf der Rückseite die Ausgangsklemmen, Eingangs-Cinch-Buchsen, die Kaltgerätedose und die Netzsicherung, auf der Front vorerst nur der Netzschalter. Außerdem können die Platinen (zweimal Endstufe, einmal Netzteil) mit Sechskant-Abstandsbolzen montiert werden.

Ist alles drin, beginnt die Verdrahtungsarbeit. Aufgrund der vielen Leitungen schafft man da doch schon ne ganze Zeit lang hin ... Für die Audio-Eingangssignale habe ich dickes, einzeln abgeschirmtes Audiokabel verwendet. Die Kabel für die Röhrenheizungen sind miteinander verdrillt.

Damit wäre der Aufbau soweit fertiggestellt, und es geht weiter mit ...

Inbetriebnahme und Abgleich

... und dort als Erstes mit der ...

Kontrolle der Betriebsspannungen

Das erste Einschalten (idealerweise über einen Trenntrafo) erfolgt noch ohne eingesetzte Röhren. Einen kurzen Moment nach dem Einschalten des Netzschalters sollte das Relais der Einschaltverzögerung anziehen, und man kann die Betriebsspannungen kontrollieren:

Vorsicht Hochspannung! Ab hier wird es gefährlich.

• +500V an P17 bzw. P25 (+U1) am Netzteil (Masse an P19 bzw. P27)
• +260V an P18 bzw. P26 (+U2) am Netzteil
• Gittervorspannung an P20 bzw. P28 (-UG1) am Netzteil messen und mit RV4 auf jeweils ca. -44V abgleichen
• Heizspannung 6,3V AC zwischen P21 und P22 sowie zwischen P29 und P30
• bei DC-Heizung Spannung zwischen P23 und P24 sowie zwischen P31 und P32 messen und mit RV3 jeweils auf 6,3V abgleichen

Sind alle Spannungen vorhanden, sollten diese auch an den Röhrensockeln nachgemessen werden:

• +500V an den Pins 3,4 der Endröhren (Masse an Pins 1,8)
• +260V an den Pins 1,6 der Vorstufenröhren (Masse wieder bei den Endröhren)
• ca. -40V an Pin 5 der Endröhren (Gittervorspannung, aufgrund des Spannungsteilers etwas niedriger als die -44V)
• Heizspannung 6,3V AC für die Endröhren jeweils zwischen Pin 2 und 7
• Heizspannung 6,3V AC/DC an den Vorstufenröhren, zwischen Pins 4 und 9 sowie 5 und 9

Ist soweit alles ok, kann schon mal ein Kanal mit den Röhren bestückt werden (2xEL34, 1xECC81, 1xECC82). An den Lautsprecherausgang muss zur Inbetriebnahme unbedingt ein Lastwiderstand mit 4 oder 8 Ohm angeschlossen werden (entsprechenden Ausgang verwenden), da eine Röhrenendstufe nie ohne die entsprechende Last betrieben werden darf (Überschläge im Ausgangsübertrager und ein Defekt der Endstufe können die Folgen sein). Ich habe als Last (da zum Zeitpunkt des Baus meine heutige Audio-Dummy-Load noch nicht existierte) jeweils zwei 3,3 Ohm- und 4,7 Ohm-Hochlastwiderstände mit einer Belastbarkeit von 17W verwendet. 3,3 Ohm in Reihe mit 4,7 Ohm ergibt genau 8 Ohm, und das nochmal parallel mit der zweiten Reihenschaltung ergibt genau 4 Ohm, bei einer Belastbarkeit von ca. 57W.

Idealerweise stellt man den Amp seitlich auf und kann dann von unten messen und abgleichen.

Anschließend wird noch der Lautstärkeregler des entsprechenden Kanals auf Linksanschlag gedreht, und an den Lastwiderstand wird ein Oszilloskop angeschlossen. Dann kann die Endstufe eingeschaltet werden, und nach kurzer Zeit sollten die Röhrenheizungen zu glühen beginnen.

Sieht man am Ausgang ein Signal mit großer Amplitude, dann ist eventuell in der Gegenkopplung was faul (Signal falsch gepolt, Endstufe schwingt). Eventuell muss der Ausgangstrafo andersherum angeschlossen werden (Anode1 mit Anode2 und UL1 mit UL2 tauschen). Ist der Ausgang soweit ruhig (eventuell bis auf ein kleines Rauschen oder Brummen), kann es mit einer ersten Einstellung des Röhren-Ruhestroms weitergehen.

Einstellung des Ruhestroms (Teil 1)

Dazu wird die Spannung über den beiden Kathodenwiderständen R21 und R22 der Endstufe gemessen und beide Spannungen durch wechselweises Verdrehen von RV3 (auf der Endstufe, Endstufensymmetrie) und RV4 (auf dem Netzteil, Gittervorspannung) auf ca. 600mV eingestellt. RV4 ist quasi für die Summe zuständig (wieviel Strom insgesamt), und RV3 regelt die Aufteilung auf die beiden Röhren.

Abgleich der Gegenkopplung (Gesamtverstärkung)

Als Nächstes wird am Audioeingang (Cinchbuchse) ein 1kHz-Sinussignal mit einer Amplitude von 775mV eingespeist. Dreht man den Lautstärkeregler auf, muss dieses Signal am Lastwiderstand wiederzusehen sein. Jetzt dreht man den Lautstärkeregler auf Rechtsanschlag und gleicht am Trimmer RV1 der Endstufe einen Ausgangspegel von ca. 14,2V (effektiv) ab, das entspricht einer Ausgangsleistung von 50 Watt an 4 Ohm.

Vor dem nächsten Schritt sollte man die Endstufe bei halber Leistung eine Zeit lang laufen lassen, bis sich die Röhren eingelaufen haben.

Einstellung des Ruhestroms (Teil 2)

Laut ELV-Anleitung sollte man jetzt eigentlich Strommessgeräte in die Leitungen zu den Anoden einschleifen, um den Anodenstrom zu messen. Der Einfachheit halber habe ich stattdessen den Spannungsabfall an den Kathodenwiderständen R21 und R22 gemessen. Da misst man zwar den Strom durch das Steuergitter mit, der sollte aber im Normalfall vernachlässigbar gegenüber dem Anodenstrom sein. Wie bereits im ersten Schritt werden wieder RV4 auf dem Netzteil und RV3 auf der Endstufe wechselweise verstellt, bis an beiden Kathodenwiderständen ein Spannungsabfall von 520mV zu messen ist, entsprechend einem Anodenstrom von 52mA.

Klirrfaktoreinstellung

Wer eine Klirrfaktormessbrücke sein Eigen nennt, kann jetzt den Klirrfaktor der Endstufe messen und mittels RV2 auf der Endstufe auf Minimum abgleichen. Wer so ein Messgerät nicht hat, kann es mir gleich tun und den Klirrfaktor über die PC-Soundkarte zu messen. Als Signalgenerator habe ich weiterhin meinen Funktionsgenerator verwendet. Das Ausgangssignal der Endstufe wird am Lastwiderstand abgenommen und über einen Spannungsteiler (wichtig!) an den Line In-Eingang der Soundkarte zurückgeführt. Ich habe die Messung mit einem Laptop gemacht, das nur einen Mikrofoneingang hatte; das geht auch, allerdings muss da der Spannungsteiler noch wesentlich weiter herunterteilen. Ein Laptop im Batteriebetrieb ist von Vorteil, um mögliche Masseschleifen über einen Schutzleiteranschluss zu vermeiden.

Die Idee zu dieser Messung habe ich aus einem Erfahrungsbericht zum ELV RV-100, gefunden auf der Seite www.roehrenfieber.de - leider inzwischen offline :-(. Als Software wird dort die Shareware Audiotester empfohlen, die es als Demoversion zum Download gibt.

Übrigens wird dort erwähnt, dass schon mal defekte Z-Dioden für die Erzeugung der Spannung für die Vorstufenröhren gewechselt werden mussten. Bei meiner Variante habe ich statt zwei 120V-Typen zwei 100V-Typen und eine 60V-Type verwendet, wodurch die Belastung für die einzelnen Dioden zurückgeht. Die Vorstufenröhren kommen mit den 20V mehr problemlos zurecht.

Zurück zum Abgleich. Der Ausgang der Endstufe wird also über einen Spannungsteiler an den Eingang der Soundkarte angeschlossen, an den Eingang kommt ein Sinussignal und dann kuckt man sich das Spektrum des Signals an. Mit RV2 kann man die Endstufe jetzt so abgleichen, dass die 1. Oberwelle bei 2kHz (das Doppelte des Eingangssignals) minimal wird. Die oberen Bilder zeigen die Signale vor und nach dem Abgleich.

Zweiter Kanal

Damit ist der Abgleich des ersten Kanals beendet. Der zweite Kanal wird auf die gleiche Weise abgeglichen. Den ersten Kanal kann man unterdessen entweder mit einem zweiten Lastwiderstand abschließen, oder man entfernt solange einfach die Sicherung für die 360V-Wicklung des Trafos, so dass den Röhren die Anodenspannung fehlt und nichts passieren kann.

Fazit

Ich hatte die Endstufe einige Zeit im Betrieb und war sehr zufrieden damit. Sie arbeitete einwandfrei, der Klang ist brillant und schön ausgewogen, und ein Rauschen oder Brummen war auch wenn man laut aufdreht und genau hinhört nicht wahrzunehmen. Inzwischen ist sie jedoch nicht mehr in meinem Besitz, da ich nach einer Renovierung meine Audiokomponenten neu organisiert habe und sie im neuen Konzept keinen Platz mehr gefunden hat.

Dennoch: Ein wirklich schönes Stück Technik!