Pure Dynamics

Hinweis: Die originale Hauptplatine und das Gehäuse sind nicht mehr verfügbar, aber mit unserer verbesserten Hauptplatine ist die 2A3 noch einfacher aufzubauen, weil sich das Netzteil auf der Hauptplatine befindet.

Lang, lang ist es her, dass sich die Zeitschrift Elektor unter der Feder von Gerhard Haas dem Thema Röhrenverstärker annahm. Auch wir veröffentlichen vor etwa 20 Jahren eine Reihe von Artikeln, die unseren damaligen Bausätzen gewidmet waren. Besonders erfolgreich war unser 2A3 Röhrenverstärker aus dem Elektor Röhrensonderheft 1/2005. Die Hauptplatine zu diesem Bausatz ist in überarbeiteter Form wieder verfügbar. Wir nehmen das zum Anlass, den damaligen Artikel hier zur Verfügung zu stellen. Andere Artikel werden folgen. Wer Interesse an einem Nachbau hat, möge sich bitte melden, es sind alle notwendigen Bauteile und Platinen auf Lager. Es lohnt sich auch, die alten Hefte aufzutreiben, wir haben noch einige auf Lager.

Moderne Triodenendstufe mit der legendären 2A3

Dieser Artikel beschreibt eine Endstufenschaltung für 2A3 Endtrioden, die klassische und moderne Schaltungstechniken kombiniert und innovative Detaillösungen präsentiert. Bisher waren die Triodenfans eine eingeschworene Gemeinschaft, die an Musikmaterial wie z.B. Kammermusik und Soloinstrumenten und –stimmen besonderes Vergnügen fand, weil dadurch die Stärken der Endröhren speziell betont wurden. Ein weites Spektrum an Musik blieb dabei jedoch auf der Strecke. Hohe Dynamik, klare Höhen und knackige Bässe gehören nicht unbedingt zu den Stärken von vielen Röhrenverstärkern mit Trioden als Endröhren. Unser Ziel war, die bestechenden Stärken der 2A3 zu erhalten und ihr mit Mitteln, die den Entwicklern vor über 70 Jahren noch nicht zur Verfügung standen, die qualitativ entsprechenden Bässe und Höhen zu entlocken.

Technische Daten

Gerhard Haas ermittelte mit dem Audio Precision Messsystem folgende Werte:

Zur Zeit der Entwicklung der 2A3 in den 1930er Jahren galt diese Röhre als leistungsstark, sie wurde in Rundfunkempfängern und professionellen Verstärkern verwendet, allerdings in Kombination mit sehr wirkungsgradstarken Lautsprechern. Die Lautsprechertechnologie hat sich von voluminösen Hornlautsprechern zu wohnraumfreundlichen, kompakten Gehäusen entwickelt, was jedoch mit einer Reduzierung des Wirkungsgrades verbunden war und dementsprechend stärkere Endstufen erfordert. Aus dieser Notwendigkeit heraus entstanden immer leistungsstärkere Röhrentypen, die Klangqualität der alten 2A3 wurde unserer Meinung nach jedoch nicht übertroffen. Die Möglichkeiten einer Leistungssteigerung sind, um beim klassischen Eintaktverstärker zu bleiben, das Parallelschalten mehrerer Endröhren. Der Nachteil dieser Methode ist der wegen der hohen Gleichstrombelastung sehr große und aufwändig zu wickelnde Ausgangsübertrager. Die von uns gewählte Alternative ist die Gegentaktschaltung mit zwei Ausgangsröhren im AB-Betrieb. Durch den bedeutend höheren Wirkungsgrad des Gegentakt-AB-Betriebs im Vergleich zum Eintakt-A-Betrieb ist die Leistungsausbeute deutlich höher. Mit zwei Endröhren wären im Eintaktbetrieb nur mit etwa 5-7 W zu rechnen. Bei einer moderaten Anodenspannung von 350 V werden hier über 8 W erreicht. Ein weiterer Vorteil des Gegentaktbetriebs ist die Verminderung von Verzerrungen. Dies begünstigt den gegenkopplungsfreien Betrieb des Verstärkers an Lautsprechern mit gutmütigem Impedanzverlauf. Trioden produzieren in erster Linie k2, Pentoden wie z.B. die EL 34 dagegen k3. Die Gegentaktschaltung unterdrückt Klirranteile geradzahliger Ordnung, ein prinzipieller Vorteil einer HiFi-Schaltung, die keinen Eigenklang produzieren soll. Damit waren die grundlegenden Designentscheidungen getroffen. Im Gegensatz zu einer Gegentaktendstufe mit Pentodenbestückung, die durch ihre Eigenschaften von hoher Verstärkung und gegenüber Trioden geringe Eingangskapazität eine effektive und ökonomische Signalaufbereitung von Spannungsverstärker-, Treiber-, und Phasenumkehrstufe mit einer Doppeltriode möglich macht, galt es bei einer Triodenendstufe eine leistungsstarke Signalaufbereitung und ein den Anforderungen angemessenes Netzteil zu entwickeln, was maßgeblichen Anteil an der hohen Klangqualität des Verstärkers hat.

Durch die aussteuerungsabhängige Strombelastung einer Endstufe im Gegentakt-AB-Betrieb kommt es in traditionell konstruierten Netzteilen zu Betriebsspannungsschwankungen in der Versorgung der Endröhren, die das Nutzsignal negativ beeinflussen. Dieser Effekt kommt bei Endtrioden durch deren wesentlich kleineren Innenwiderstand stärker zum Tragen als bei Pentoden. Übertrager und Röhre bilden eine Spannungteiler, der durch den geringen Innenwiderstand der Triode im Vergleich zu Pentoden jedes Signal im Netzteil wie Restwelligkeit und nutzsignalabhängige Spannungsänderung bedämpft, das über die Primärwicklung des Übertragers in die Endröhre eingespeist wird. Das dadurch bedingte Differenzsignal am Übertrager addiert sich zum Nutzsignal und wird am Lautsprecher wiedergegeben. Klanglich würde sich dies in Form von schwammigen Bässen und einer diffusen räumlichen Darstellung des Musikgeschehens bei höheren Lautstärken bemerkbar machen. Die üblichen Lösungsansätze wie die Verwendung von Drosseln und die Vergrößerung der Siebkondensatoren können diese Problematik nur verringern, aber nicht beseitigen.

Versuche mit einem ersten Prototypen, in dem ein bewährtes Netzteil aus unserer mit der EL 34 bestückten Endstufe verwendet wurde, bestätigten diese Überlegungen eindrücklich. Messungen ergaben eine Spannungsdifferenz von mehreren Volt zwischen Leerlauf und Volllast des Verstärkers auch bei Verwendung stark überdimensionierter Netztransformatoren. Unsere Lösung für dieses Problem war eine möglichst einfache, aber effiziente Stabilisierung der Versorgung der Endröhren. Die bekannte Aversion der Röhrengemeinde gegenüber Stabilisierungen beruht auf dem oft subjektiv erlebten negativen klanglichen Einfluss geregelter Stabilisierungen. Wir wählten daher eine dem Gyrator verwandte gegenkopplungsfreie Variante. In Bild 1 ist der Schaltplan des Netzteils mit allem Stabilisierungen zu sehen. Die stabilisierende Wirkung dieser Schaltung ist zwar etwas geringer, dafür ist ihre klangliche Auswirkung ausschließlich positiv. Die gemessenen Spannungsschwankungen liegen nunmehr unabhängig von der Frequenz im Bereich von einigen Millivolt. Die Endstufe spielt damit sehr präzise und auch im Bass mit viel Druck. Röhrengleichrichter haben im Vergleich zu Halbleiterdioden einen hohen Innenwiderstand. Daher wurde eine Gleichrichtung durch Halbleiterdioden anstelle einer Röhrengleichrichtung gewählt, um Spannungsschwankungen im Netzteil zu minimieren, die durch den nicht konstanten Strombedarf der AB-Gegentaktschaltung auftreten. Eine Gleichrichterröhre würde Stromschwankungen durch ihren hohen Innenwiderstand in größere Spannungsschwankungen umsetzen.

Damit die 2A3 auch den gestellten Anforderungen gerecht angesteuert werden, wurden drei grundlegende Punkte vorgegeben: hohe Verstärkung des Spannungsverstärkers, Gitterstrom der Endröhre und hohe Bandbreite. Durch den niedrigen Verstärkungsfaktor der 2A3 müssen die Treiberstufen zur Vollausteuerung der Endstufe ein Signal mit ungefähr 100 Vss liefern können. Dafür kommen nur wenige Röhren in Frage. Die verwendete Doppeltriode 6SL7GT erledigt diese Aufgabe sehr gut und zudem besonders verzerrungsarm. Gitterstrom tritt dann auf, wenn bei hoher Aussteuerung das Steuergitter im Bezug zur Katode positiv wird und Elektronen über das Gitter abfließen. Dieser Gitterstrom führt bei Beschaltung mit einem Koppelkondensator zwischen Treiberstufe und Endröhre zum Umladen desselben und damit zu einer Verschiebung der Arbeitpunkteinstellung der Endröhren. Die Verzerrungen nehmen dadurch zu, was den Klang beeinträchtigt, bis sich die ursprünglichen Spannungswerte am Kondensator wieder eingestellt haben. Wie lange das dauern kann, hängt von der Zeitkonstante ab, die durch den Koppelkondensator und den Gitterableitwiderstand definiert wird. Man bewegt sich hier im Sekundenbereich, wie die übliche Auslegung des Koppelkondensators auf eine untere Grenzfrequenz von 0,5 bis 5 Hz belegt. Es ist daher besser, die Treiberstufe direkt mit dem Gitter der Endröhre zu koppeln. Der geforderte Gitterstrom bei hoher Aussteuerung der Endröhre wird durch die direkt gekoppelte Treiberröhre unmittelbar geliefert. Die Arbeitspunkteinstellung bleibt erhalten und der Verstärker kann bis zu seiner Leistungsgrenze mit hoher Dynamik und geringsten Verzerrungen sauber spielen. Die direkte Kopplung löst nebenbei auch das Problem der eingeschränkten Bandbreite durch die im Vergleich zu Pentoden hohe Kapazität der Trioden zwischen Steuergitter und Anode, die mit der Verstärkung der Röhre zu multiplizieren ist. In den 1930er Jahren, als große Leistungstrioden in Rundfunkempfängern und Verstärkern eingesetzt wurden, waren Breitbandlautsprecher die Regel und High Fidelity in weiter Ferne. Die je nach Schaltung durch die Eingangskapazitäten der Endtrioden begrenzte Bandbreite war damals kein Problem. Will man jedoch moderne Lautsprecher einsetzen und moderne Tonträger wiedergeben, so ist es eine absolute Notwendigkeit, zu gewährleisten, dass der Frequenzgang im gesamten menschlichen Hörbereich und darüber hinaus absolut gleichmäßig verläuft. Je hochohmiger die Treiberstufe ausgelegt ist, desto niedriger ist die obere Grenzfrequenz des Verstärkers. Durch die direkte Kopplung zwischen Treiberröhre und Endröhre wird diese sehr niederohmig angesteuert und die mit den Kapazitäten der Gitter gebildeten Tiefpassfilter bedeuten keine Gefahr mehr in Form einer hörbaren Begrenzung der Höhen. Wie schon erwähnt, wird als Treiberröhre eine 6SL7GT verwendet, die nur einen geringen Ruhestrom von rund 1,5 mA hat. Dies mag verwundern, bedeutet jedoch nichts anderes als eine Strombegrenzung und damit einen Schutz für die 2A3, die durch erhöhten Gitterstrom beschädigt oder zerstört werden könnte. NF-Endröhren vertragen nämlich im Gegensatz zu Senderöhren, die auf Gitterstrombetrieb ausgelegt sind, keine signifikanten Gitterströme.

Nach der ausführlichen Beschreibung der Philosophie der Schaltungsauslegung kommen wir nun zu Schaltungsbeschreibung. In Bild 2 ist die Verstärkerschaltung gezeigt. Das Eingangssignal wird ohne jegliches Filter über einen kleinen Vorwiderstand auf das Steuergitter der Eingangsröhre V1a. Die Verstärkung dieser Stufe ist etwa 50-fach. Einerseits geht das Signal von der Anode der Eingangsröhre V1a zur ersten Treiberröhre V2a, andererseits zur Phasenumkehrröhre V1b, die das für die Gegentaktendstufe benötigte invertierte Signal zur Verfügung stellt. Die Verstärkung der Phasenumkehrstufe beträgt -1. Erreicht wird das durch die Widerstände R27 und R31. Die Vorteile dieser Beschaltungsart sind die hohe Symmetrie der gegenphasigen Signale und die Kompensation der durch die Röhrenalterung hervorgerufenen Verstärkungsänderung. Von der Phasenumkehrröhre wird das Signal zur zweiten Treiberröhre V2b geführt. Die Funktion der Treiberschaltung wurde bereits oben erläutert. Eine Besonderheit ist die Verwendung von Konstantstromquellen als Last für die Spannungsfolger. Der Vorteil ist der Betrieb der Treiberröhren mit konstantem Strom, weil dadurch die Spannung zwischen Steuergitter und Katode unabhängig von der Höhe des Ausgangssignals gleich bleibt. Üblicherweise befindet sich an dieser Stelle ein ohmscher Widerstand, der bei einer durch das Musiksignal hervorgerufen Spannungsänderung zwischen Katode und negativer Betriebsspannung eine Stromänderung durch die Röhren und somit Verzerrungen des Ausgangssignals dieser Stufe zur Folge hätte. Von den Treiberstufen gelangt das Signal über einen Vorwiderstand auf die Steuergitter der Endröhren. Die Ruhestromeinstellung der Endröhren V3 und V4 erfolgt über getrennte Katodenwiderstände, die wechselstrommäßig durch Kondensatoren überbrückt werden. Die Endröhren beeinflussen sich dadurch nicht gegenseitig in ihrer Ruhestromeinstellung. Durch die Wahl der Katodenwiderstände von 1 kΩ arbeiten die Endröhren mit verringertem Ruhestrom im Vergleich zur Eintaktschaltung und haben dadurch eine wesentlich höhere Lebenserwartung. Der Ruhestrom ist trotzdem so hoch eingestellt, dass Übernahmeverzerrungen ausgeschlossen werden.

Ein Problem direkt geheizter Röhren ist die Überlagerung des Musiksignals mit dem Heizungsbrumm aufgrund der direkt geheizten Katode. Diese Tatsache hat schließlich zur Entwicklung der indirekt geheizten Röhren geführt. In einer Eintakt-Schaltung wird deswegen oft mit Gleichstromheizung gearbeitet. Wir haben es einfacher und machen uns die bereits oben erwähnte Eigenschaft der Gegentaktschaltung, gleichphasige Störsignale im Übertrager auszulöschen, zu Nutze und speisen die Wechselstromheizung gleichphasig in beide Endröhren ein. Wir ziehen diese Lösung als aus klanglichen Gründen einer Gleichstromheizung vor. Hier gilt wieder einmal: Je weniger Bauteile, desto besser der Klang.

Aufgrund des geringen Ausgangswiderstands der 2A3 und der sehr guten Linearität der Verstärkerschaltung kann auf eine Über-Alles-Gegenkopplung, wie in Bild 2 eingezeichnet, verzichtet werden, was einem offenen und lebendigen Klang sehr zugute kommt. Die auf der Verstärkerplatine vorgesehenen Plätze für R25 und C13 werden in diesem Fall nicht bestückt (siehe entsprechende Hinweise in der Stückliste). Manche Lautsprecher benötigen jedoch mehr Kontrolle des Tieftöners durch die Endstufe, was man durch Aktivierung der Gegenkopplung erreichen kann.

Bis auf die Widerstände Rk für den Katodenabgriff, die direkt an die Sockel der 2A3 gelötet werden, befinden sich alle Bauteile auf drei Platinen. An klanglich relevanten Stellen wurden mittels Hörvergleichen die optimalen Bauteile ermittelt. So finden sich z.B. als Koppelkondensatoren ausschließlich Zinnfolientypen und im Netzteil hochwertige Elkos des Herstellers Rubycon. Sämtliche Widerstände sind 1%-Typen von Beyschlag. Die Ausgangsübertrager sind Spezialanfertigungen und entsprechend den Anforderungen in Zweikammerbauweise mit 14-fach verschachtelten Wicklungen ausgeführt. Das Gehäuse ist aus Edelstahl (siehe Bild 4) und damit nicht magnetisch, um Rückwirkungen auf das Signal zu verhindern. Die Platinenbauweise tritt aufgrund des durchdachten Layouts (siehe auch Bild 3, bestückte Hauptplatine) und der auf langjähriger Erfahrung basierenden Leiterbahnführung in keinster Weise als Klangbremse in Erscheinung und ist der vielfach favorisierten Freiverdrahtung in klanglicher Hinsicht zumindest ebenbürtig, im Hinblick auf Betriebs- und Nachbausicherheit aus nahe liegenden Gründen sogar deutlich überlegen.

Alle Massen der Schaltung werden auf der Netzteilplatine zusammengeführt und über eine Lötöse und einen Stehbolzen mit dem Gehäuse und der Schutzwicklung des Netztransformators verbunden. Von den Eingangsbuchsen führt man den rechten und linken Kanal mit geschirmten Kabeln auf die Hauptplatine. Für alle anderen Signal- und Versorgungsverbindungen bis auf die Heizung eignet sich herkömmlicher Schaltdraht. Die Verdrahtung der Röhrenheizung erfolgt zum Schluss mit einem Kabelquerschnitt von mindestens 1mm² zu den Endröhren bzw. mit 0,5 mm² zu den Vorverstärkerröhren auf der Verstärkerplatine.

Die erste Inbetriebnahme ist einfach und erfordert lediglich ein Multimeter, da die Endstufe keinerlei Abgleicharbeiten bei der Inbetriebnahme oder beim Röhrentausch erfordert. Die Endröhren werden vorerst nicht eingesetzt, sondern nur die Vorröhren. Dann wird der Verstärker eingeschaltet. Die Heizungen der Röhren 6SL7GT müssen nach wenigen Sekunden bereits leuchten. Nun werden die Heizspannungen an den Röhrensocken der Endröhren geprüft. Hier sollten ca. 2,5 V Wechselspannung anliegen. Anschließend kontrolliert man die Betriebsspannungen: U1 ist ca. 350 V, U2 ca. 150 V, U3 ca. 320 V, U4 ca. –77 V. Sind alle Werte korrekt, dann können die Endröhren eingesetzt werden. Am Verstärkerausgang wird ein Lastwiderstand von 8Ω angeschlossen. Wenn kein Oszilloskop vorhanden ist, muss mit einem Musiksignal getestet werden. Die Lautstärke wird dazu langsam hochgefahren. Besitzer eines Oszilloskops können unter Verwendung einer Soundtest-CD oder eines Signalgenerators überprüfen, ob der Verstärker zwischen Eingang und Ausgang phasenrein arbeitet. Sollte die Phase verdreht sein, ist der Ausgangsübertrager verpolt. Dann müssen die Anodenanschlüsse an den Endröhren vertauscht werden.

Soll die Gegenkopplung verwendet werden, dann darf der Verstärker die Phase nicht invertieren, sonst wird aus der Gegenkopplung eine Mitkopplung. Der Gegenkopplungsgrad ist jedoch bei Verwendung der vorgeschlagenen Widerstandswerte so minimal und die Verstärkerschaltung so linear, dass die Endstufe auch bei einer Mitkopplung nicht schwingt. Wenn kein Oszilloskop vorhanden ist, wird mit Musik geprüft, ob korrekterweise bei gleicher Potistellung die Musik bei Verwendung der Gegenkopplung leiser wird. Ist das nicht der Fall, dann sind die Anodenanschlüsse zu vertauschen.

Die Endstufe kann allen aktuell erhältlichen 2A3 betrieben werden, auch mit den 40 Watt Typen des Herstellers JJ. Leistungssteigerung ist aber nicht zu erwarten, dazu müsste die Versorgungsspannung erhöht werden. Alle Spannungen werden langsam und damit Röhren schonend hochgefahren. Nach dem Abschalten sollte etwa eine Minute gewartet werden bis wieder eingeschaltet wird. So vermeidet man unangenehme Geräusche des Lautsprechers, die durch das Wiederaufladen der Kondensatoren und Anheizen der Röhren hervorgerufen wird. Die vorhandene Leistung der Endstufe reicht je nach Raumgröße und Wirkungsgrad des Lautsprechers auch für sehr hohe Abhörlautstärken. Als Lautsprecher sind keine Wirkungsgradboliden notwendig. Empfohlen werden Lautsprecher mit mindestens 88-90dB/W/m bei einer Zimmergröße von 30-40m².

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