Ein einfacher Stereo Eintaktverstärker mit der Röhre PCL86

1. Vorwort

Auf dieser Seite möchte ich mein erste Röhrenprojekt vorstellen. Ein Bekannter hat kürzlich angefangen einen historischen Equalizer nachzubauen, so wie er bei Radiosendern oder in Tonstudios in den Sechziger Jahren zu finden war. Ich habe ihn bei der Auswahl der zu beschaffenden Bauteile ein wenig unterstützt und werde ihm beim Zusammenbau auch ein wenig helfen. Das ganze hat mich dann dazu animiert, selber ein kleines Röhrenprojekt zu starten. Wenn es von dem Equalizer-Projekt etwas zu berichten gibt, werde ich versuchen, es hier zu präsentieren. Aber bis es so weit ist, möchte ich hier meine ersten Ergebnisse des PCL86-Eintaktverstärkers als kleine Photosammlung darstellen. Die Röhre ist eine Verbundröhre mit einem Triodensystem und einem Pentodensystem, die entsprechend als Vorverstärker und Endstufe arbeiten. Endstufe mag etwas übertrieben klingen, wenn man von einer Ausgansleistung vom etwa 4 Watt spricht ...

2. Der Prototyp

Meine Schaltung basiert vollständig auf der von Hans Borngräber (http://www.roehrenkramladen.de/PCL86/pcl86_1.htm). Im Grunde sind die Verstärker mit PCL86, die man im Internet findet alle sehr ähnlich. Wenn man von denen absieht, die für niedrigere Betriebsspannung ausgelegt sind, denn sie verlangen zumindest geänderte Bauteilewerte oder gar ein abgeändertes Design.

Dies ist der Anfang meiner Berichte über das Röhrenprojekt - wenn es die Zeit erlaubt, werde ich in den nächsten Wochen diese Seite immer wieder ergänzen. Bis dahin zeige ich im folgenden ein paar Bilder des Prototyps.

Das erste Bild zeigt den gesamten Aufbau. In der mitte befindet sich der prototypische Verstärker auf einer Art Platine mit der Röhre PCL86 im Zentrum und einigen Anschlußbuchsen um sie herum angeordnet. Gleich rechts neben der Röhre - noch auf dem Platinchen - befindet sich das Trimmpoti zur Einstellung des Ruhestroms. Die grünen Kabel führen zum Ausganstrafo, der in meinem Fall ein einfacher 100 Volt Übertrager ist. Das ist zwar nur eine Behelfslösung, aber sie funktioniert ganz brauchbar. Die 8 Ohm-Wicklung des Übertragers ist über die blauen Kabel mit der kleinen Lautsprecherbox (oben rechts) verbunden. Am oberen Bildrand steht die Stromversorgung, ein 12 Volt Blei-Gel-Akku. Die Heizung der PCL86 ist direkt an diese Batterie angeschlosesen (dicke gelbe Kabel). Auf dem Steckboard direkt vor dem Akku befindet sich ein kleiner Sperrwandler, der aus einem NE555, einem IRF510, einem alten Wandlertrafo aus einem defekten PC-Netzteil, und einer Gleichrichterdiode mit ein paar Kondensatoren, letztere angeschlossen an der Sekundärwickung, besteht. Der Wandler erzeugt ziemlich genau die benötigte Spannung von 250 V für den Verstärker. Wenn also mal nur 12 V zur Verfügung stehen, man aber den Röhrensound nicht missen will ... das wäre eine Lösung. Am linken Bildrand liegt noch der kleine MP3-Player (der Würfel), dessen Ausgang mit dem Eingang des Verstärkers verbunden ist. Und im Vordergrund zwischen Platine und Übertrager liegt schließlich das Poti, das zur Einstellung der Gegenkopplung im Verstärker verwendet wird.

PCL86 Verstärker - Übersicht 1

Das ganze Arrangement aus weiteren Perspektiven ...

PCL86  Verstärker - Übersicht 2 PCL86  Verstärker - Übersicht 3 PCL86 Verstärker - Übersicht 4

Ein Detailbild des Prototypen von oben und ein Blick auf die Unterseite der Platine mit Verdrahtung

PCL86 Verstärker - Einzelheiten von oben PCL86  Verstärker - Verdrahtung

Und zum Abschluß der vorläufige Schaltplan, der, wie eingangs bereis erwähnt, praktisch vollständig auf http://www.roehrenkramladen.de/PCL86/pcl86_1.htm beruht.

Vorläufiger Schaltplan des PCL86-Verstärkers

3. Der fast endgültige Entwurf

Der Prototyp hat sich als so vielversprechend herausgestellt, daß ich mich dazu entschlossen habe, den Schaltplan zu überarbeiten und ein Platinenlayout zu erstellen. Mir liegen nun die Platinen vor und ich habe eine davon auch sofort bestückt. Die folgende Photoserie zeigt das Resultat. Es sei hervorgehoben, daß die Röhre auf der der Bestückungsseite gegenüberliegenden Seite montiert wird - also auf der Lötseite. Das hat den Vorteil - wenn das Projekt denn jemand nachbauen möchte - daß die Röhre in ihrer vollen Größe aus dem Gehäuse herausragen kann. Aber selbst wenn man alles in einem Gehäuse unterbringt, so ist doch die Röhre als beachtliche Wärmequelle weit weg von den anderen Bauteilen der Platine entfernt, was sicher auch kein Nachteil ist.

Die bestückte Platine und die ungeduldige PCL86, die darauf wartet, in die Fassung gesteckt zu werden Gesamtantsicht der bestücketen Platine ohne Röhre Blick auf die Lötseite, auf der sich auch die Röhrenfassung befindet Die bestückte Platine mit eingesteckter Röhre PCL86 auf die Seite gelegt Die bestückte Platine mit eingesteckter PCL86 steht auf eigenen Beinen (Schrauben)

Die folgenden beiden Bilder zeigen den Schaltplan und das Layout der kleinen Platine (54 x 92 mm). Auch dieser Entwurf ist, wie bereits der Prototyp, ohne große Besonderheiten. Einzige Ausnahme ist, neben der Gitterspannungserzeugung durch den Katodenwiderstand, hier die zusätzliche Möglichkeit, eine negative Gittervorspannung von der Stromversorgung zuzuführen. Dazu wird Jumper JP2 gesteckt (er überbrückt den größten Teil des Katodenwiderstands und es bleibt nur noch R2 wirksam) und bei Jumper JP1 werden die Pins 2 und 3 verbunden. Allerdings habe ich diesen Teil der Schaltung selber noch nicht erprobt; die Bauteilewerte im Schaltplan sind daher Orientierungswerte. Die klassische Variante mit Erzeugung der Vorspannung über den Katodenwiderstand erfordert nur, daß bei JP1 die Pins 1 und 2 gebrückt werden. JP2 bleibt offen.

Eine weitere Option besteht darin, die Versorgungsspannung des Triodenteils über Z-Dioden zu stabilisieren. Auch diesen Teil habe ich selber noch nicht erprobt. Das Layout bietet jedoch die Möglichkeit, eine Spannung von rund 200 Volt entweder mittels zweier Z-Diode (D2 und D5 - also z.B. 2 mal 100 V) oder mittels dreier Z-Dioden (D2, D3, D4 - also z.B. 3 mal 68 V) zu stabilisieren.

Schaltplan des PCL86-Verstärkers Layout des PCL86-Verstärkers

Die beiden folgenden Bilder zeigen die aufgebaute Platine auf dem Labortisch:

Die bestückte Platine mit eingesteckter PCL86 betriebsfertig auf dem Labortisch Die bestückte Platine mit eingesteckter PCL86 betriebsfertig auf dem Labortisch

Wieder ein Schritt weiter - ich erhielt die Lieferung der Ausgangsübertrager. Ich habe die beiden Verstärkerplatinen und die beiden Ausgangsübertrager einfach mal provisorisch auf ein Sperrholbrettchen montiert, damit die Komponenten wenigstens einigermaßen fixiert sind. Es sieht zwar immer noch alles nach Drahtverhau aus, aber es ist weniger gefährlich, als wenn alles lose auf dem Tisch herumliegt. Angeschlossen sind zwei kleine Boxen von Canton - nicht auf den Bildern zu sehen. Der erste Höreindruck ist vielversprechend. Die nächsten beiden Themen sind einerseits ein ordentliches Gehäuse - ich tendiere zu einem 2HE 19-Zoll Gehäuse. Alles kommt ins Gehäuse; im Gegensatz zu vielen anderen Röhrenprojekten möchte ich weder die Röhren noch Trafos und Übertrager außen sichtbar anordnen. Andererseits stellt sich die Frage, wie man denn am intelligentesten die Gegenkopplung einstellt. Nach Gehör? oder mittels geeigneter Meßgeräte oder Meßsoftware auf dem PC?

Der Versuchsaufbau des PCL86-Stereo-Röhrenverstärkers auf dem Labortisch - die Röhren und die Anschlüsse Der Versuchsaufbau des PCL86-Stereo-Röhrenverstärkers auf dem Labortisch - die beiden Platinen, die beiden Ausgangsübertrager und das Sperrwandlernetzteil im Vordergrund Der Versuchsaufbau des PCL86-Stereo-Röhrenverstärkers auf dem Labortisch - andere Perspektive Der Versuchsaufbau des PCL86-Stereo-Röhrenverstärkers auf dem Labortisch - gerader Blick auf die Platinen und die Übertrager

Auf der Lochrasterplatte, die auf den Bildern oben zu sehen ist, befindet sich ein Sperrwandlernetzteil, das aus einer Spannung von etwa 12 V bei einer Stromaufnahme von etwa 3 A die zum Betrieb des Verstärkers notwendigen Spannungen erzeugt. Die Anodenspannung (ca. 200 V) wird vom Schaltregler kontrolliert und stabil gehalten. Die Heizspannung von etwa 13 V, die ebenfalls im Schaltnetzteil erzeugt wird, wird jedoch über einen Low-Drop Linearregler separat geregelt. Weitere Einzelheiten, Experimente und am Ende auch eine Platine dazu werden folgen und in einem separaten Artikel behandelt.

4. Der endgültige Entwurf - nochmal als Prototyp

5. Ein paar einfache Messungen

Mittlerweile habe ich mal den vorläufigen Frequenzgänge für den linken und für den rechten Kanal zwischen 10 Hz und 20 kHz in einer 1-2-5-Folge sowie bei 30 kHz an einem 8 Ohm Abschlußwiderstand gemessen. Umfangreichere Messungen stehen noch aus aber die hier vorgestellten zeigen, daß die Reise doch in die richtige Richtung geht.

Frequenzgang des linken Kanals bei verschiedenen Gegenkopplungsgraden Frequenzgang des rechten Kanals bei verschiedenen Gegenkopplungsgraden

Die Gegenkopplungsgrade reichen von "völlig ohne Gegenkopplung", G=-∞ über -60 dB bis -20 dB in 10 dB-Schritten. Die Verstärkung wurde in dem Maße korrigiert, wie eine stärker werdende Gegenkopplung sie reduzieren würde. Jeweils gut zu sehen im mittlefen Frequenzbereich, bei dem alle Linien auf ± 0,5 dB übereinstimmen. Dies ist besonder praktisch, wenn man allein durch Hinhören den Einfluß der unterschiedlichen Gegenkopplungen beurteilen will. Die Lautstärke soll bei einer Änderung der Gegenkopplung ja unverändert bleiben.

Ohne Gegenkopplung reicht der Frequenzbereich des Verstärkers von etwa 25 Hz (-3dB) bis mindestens 20 kHz. Das ist nach meinem Dafürhalten erst mal garnicht so schlecht. Es mag vielleicht der Vollständigkeit halber eine Erwähnung wert sein, daß der Ausgangsübertrager der 53.05U von Reinhöfer ist.

Die Röhre wird in ihrem Pentodenteil mit 230 V zwischen Anode und Katode bei 39 mA betrieben, woraus sich eine Steigung der Arbeitsgeraden ergibt, die 5,9 kΩ entspricht. Das sind rund 700 Ω mehr, als die Eingangsimpedanz des Ausgangsübertragers. Berücksichtigt man jedoch die ohmschen Verluste zumindest der Primärwicklung von etwa 540 Ω, so liegt die tatsächliche Ausgangsimpedanz ziemlich genau bei dem Wert, der der Steigung der Arbeitsgeraden entspricht. Allerdings bedeutet das auch, daß 10% der Leistung bereits an der Primärwicklung verloren gehen. Die maximale Ausgangsleistung der Röhre liegt bei dem hier gewählten Arbeitspunkt bei etwa 3,8 W; wenn man davon 10% abzieht, sind noch 3,4 W maximale Ausgangsleistung möglich. Liegen die Verluste auf der Sekundärseite in einer ähnlichen Größenordnung (habe ich noch nicht nachgemessen) müßte man mit nochmal 10% Verlust rechnen - also bleiben an nutzbarer Ausgansleitung für den Lautsprecher noch ziemlich genau 3 W übrig. Andererseits liegt die tatsächlich erreichte Ausgangsleistung am 8 Ω-Widerstand nur bei rund 2,5 W, was bedeutet, daß gegenüber der Leistung, die die Röhre abzugeben vermag, auf dem Weg zu Abschlußwiderstand fast 35% verloren gehen. Im Grunde fehlt also noch ein halbes Watt.

Auch die Schirmgitterspannung liegt bei 230 V, wobei der Strom jedoch nur bei 6 mA statt der zu erwartenden 6,5 mA liegt. Die Gittervorspannung wird nicht über den Katodenwiderstand erzeugt, sondern separat einer negativen Hilfsspannung der Stromversorgung entnommen.

Was man den Frequenzgangkurven schon sehr schön ansieht ist, daß der gegengekoppelte Verstärker einen geraderen und vor allem umfangreicheren Frequenzgang aufweist, als der nicht oder nur schwach gegengekoppelte.

6. Ein erster Höreindruck

mein erster Eindruck war, daß sich das Klangbild über die verschiedenen Gegenkopplungsgrade deutlich verändert; und zwar - um es vorweg zu nehmen - deutlicher verändert, als man es aus den Frequenzgangkurven schließen würde. Daß die Tiefen hin zu stärkerer Gegenkopplung instensiver auftreten, paßt ja noch zu den Messungen des Frequenzganges. Allerdings schien es, als ob auch die Mitten und vielleicht auch die Höhen mit zunehmender Gegenkopplung sich reduzierten - oder umgekehrt - ohne Gegenkopplung stärker waren. Das paßt nun garnicht zu den Frequenzgangmessungen, die im beobachteten Frequenzbereich eigentlich garkeine Änderungen mit der Gegenkopplung aufweisen, wenn man mal den Bereich über 20 kHz ignoriert. Im Augenblick ist meine Arbeitshypothese, daß man mit abnehmender Gegenkopplung man zunehmend so etwas wie die Eigenschaften des verwendeten Lautsprechers bzw. der Box hört.

wird fortgesetzt ...