Symmetrix, die vollsymmetrische Endstufe für hochwertigen HiFi- und Studioeinsatz
Diese universell einsetzbare Endstufe besitzt eine vollsymmetrische Schaltungsauslegung mit einigen im Vergleich zu bekannten Schaltungen außergewöhnlichen Detaillösungen, die einen sicheren Betrieb im harten Studioeinsatz gewährleisten. Die Endstufe arbeitet im reinen Klasse-A-Betrieb.
Symmetrische Verstärkerschaltungen sind keine Errungenschaft der Halbleitertechnologie, sondern wurden schon zu Röhrenzeiten vor allem in Messgeräten wie z.B. in Oszilloskopen (siehe (1), Seite 270ff), aber auch in aufwändigen Audioverstärkern eingesetzt. Eine Errungenschaft der Halbleitertechnik ist allerdings die Perfektionierung und Verbreitung der symmetrischen Schaltungstechnik. Der Leser mag positiv überrascht sein angesichts der konsequenten Umsetzung der symmetrischen Röhrenschaltungstechnik mit Halbleiterunterstützung, die in der vorliegenden Form im Bereich Selbstbau eher wenig Beachtung findet. Viel zu sehr erfolgt unserer Meinung nach eine Konzentration auf traditionelle Schaltungstechniken.
Warum gab es so eine Schaltung zur Blütezeit der Röhrentechnik trotz ihrer offensichtlichen Vorzüge nicht in kommerzieller Form? Der Hauptgrund liegt in der Tatsache, dass eine derartige Schaltung vor oder zu Beginn der Halbleiterzeit schwer möglich war, weil der Aufbau von Konstantstromquellen mit Röhren nur mit hohem Aufwand zu realisieren ist. Vergleichbare Röhrenschaltungen können nicht zwischen Kathode und Masse geschaltet werden, wie aus dem Schaltplan in Bild 1 ersichtlich, sondern erfordern eine zusätzliche hohe negative Hilfsspannung. Diese Spannung wäre für hochwertige HiFi-Verstärker ebenso aufwändig zu sieben wie die positive Versorgungsspannung des Verstärkers. Außerdem würde eine gemeinsame Konstantstromquelle für zwei Endröhren zumindest Röhren mit gleicher oder größerer Belastbarkeit erfordern, z.B. zwei weitere KT 88 oder eine 6C33C. Eine Langzeitkonstanz, wie sie die Halbleiterlösung bietet, wäre dennoch sehr schwer realisierbar.
Die Stromflüsse auf den Masseleitungen der Platine sind konstant, daher gibt es keine Überlagerungen der Signale mit Störungen durch einen lastabhängigen Stromverbrauch der Endröhren. Die Konstantstromquellen gewährleisten diesen absolut gleich bleibenden Stromfluss, denn auch im herkömmlichen Klasse-A-Betrieb kann bei Vollaussteuerung der Endröhren eine Zunahme des Stroms durch die Röhren beobachtet werden. Das Datenblatt zur KT-88 von Svetlana (siehe www.svetlana.com) beispielsweise spricht bei der „typical operation Class A, single tube“ von einem Anodenstrom ohne Aussteuerung von 87 mA und einem Anodenstrom bei maximaler Aussteuerung von 105 mA.
Die Vorteile einer derartigen Schaltungsauslegung sind zahlreich und speziell für den Studiobetrieb besonders wichtig:
- Die flexible Eingangsbeschaltung in symmetrischer oder unsymmetrischer Form ist zum Anschluss professioneller Leitungen Pflicht. Auch für den privaten Anwender ist dies jedoch von Nutzen, da er wesentlich mehr Freiheiten hat: Es besteht die Möglichkeit einer Eingangsbeschaltung per Übertrager, symmetrisch oder unsymmetrisch. Die Phasenlage ist wählbar und könnte sogar schaltbar ausgeführt werden.
- Durch den reinen Klasse-A-Betrieb ist der Verstärker besonders klirrarm.
- Ebenso wie bei der Beschaltung des Eingangs bietet die Endstufe auch bezüglich der Endröhrenwahl eine besondere Flexibilität. Verschiedenste Endröhrentypen können durch die sehr präzise Stromeinstellung einfach eingesetzt werden.
- Die automatische und gleichzeitig geregelte Ruhestromeinstellung der Endröhren bietet konstanten Ruhestrom bis zum Lebensdauerende der Endröhren, einfachsten Endröhrentausch ohne neuerliche Ruhestromeinstellung sowie eine automatische Abschaltung bei Endröhrendefekt.
- Die Endstufe hat nicht nur einen symmetrischen Eingang sondern auch einen symmetrischen Ausgang.
- Sämtliche Verstärkerstufen ziehen konstant Strom, daher ist der Aufwand bei der Konstruktion des Netzteils geringer.
- Die Gegenkopplungsschleife ist sehr kurz und umfasst nur zwei aktive Stufen. Stabilitätsprobleme werden dadurch minimiert.
- Die Röhrentype in der ersten Stufe ist austauschbar, da sich diese nicht in der Gegenkopplungsschleife befindet.
Die Nachteile der Schaltung dürfen jedoch auch nicht unter den Tisch gekehrt werden. Durch den reinen Klasse-A-Betrieb fällt viel Verlustwärme an. In Klasse AB oder B wäre die Ausgangsleistung bei gleicher Betriebsspannung und gleichem Röhrentyp deutlich höher. Die notwendigen selektierten Endröhren für dieses Schaltungskonzept sind heute überall mit geringem Aufpreis verfügbar.
Die gesamte Verstärkerschaltung konnte durch den symmetrischen Aufbau relativ übersichtlich verwirklicht werden. Der Verstärker, dessen Schaltplan in Bild 2 gezeigt ist, hat einen dreistufigen Aufbau. Die erste Stufe ist ein Differenzverstärker mit Phasenumkehrfunktion, sollte der Verstärker nicht symmetrisch angesteuert werden. Die Kathoden der Eingangsröhre sind miteinander verbunden. Der gemeinsame Ruhestrom wird durch die Konstantstromquelle, bestehend aus dem Transistor T1 (bzw. T2 für den zweiten Kanal), LED1 (bzw. LED2) und zwei Widerständen erzeugt. Der Widerstand R8 (bzw. R36) versorgt die LED, die die Basis von T1 (bzw. T2) auf eine sehr konstante und rauscharme Spannung legt. Durch die annähernd konstante Basis-Emitter-Spannung wird der Strom durch den Widerstand R7 (bzw. R35) bestimmt. Wir benützen dabei die Eigenschaft des Transistors, dass bedingt durch seine Ausgangskennlinie der differentielle Innenwiderstand sehr groß ist, der statische Innenwiderstand dagegen klein. Würde man versuchen, diese Schaltung durch einen Widerstand zu ersetzen, dann bräuchte man eine negative Hilfsspannung im Kilovoltbereich, siehe dazu auch (2), Seite 59ff. Durch die Kombination von Röhren und Halbleitern entsteht ein sehr hochwertiger Differenzverstärker, der eine sehr präzise Phasenumkehr und mehrere Möglichkeiten der Eingangsbeschaltung bietet. Der Verstärker kann konventionell unsymmetrisch angesteuert werden. Je nachdem, ob die Endstufe invertieren soll oder nicht, wird das Eingangssignal auf Eingang 1 oder 2 angeschlossen und der andere Eingang auf Masse gelegt. Soll der Verstärker symmetrisch angesteuert werden, werden beide Eingänge verwendet. Die symmetrische Signalführung nützt den Vorteil des Differenzverstärkers, gleichphasige Eingangssignale zu unterdrücken, damit werden die Auswirkungen von Einstreuungen in die Signalleitung auf das Musiksignal minimiert. Das ist besonders im Studiobetrieb notwendig, wo oft mit sehr langen Signalleitungen gearbeitet werden muss. Darauf folgt für jede Phase eine Treiberstufe, die die beiden phasengedrehten Signale noch einmal verstärkt und an die beiden Endröhren schickt. Die nicht mittels Kondensator überbrückten Kathodenwiderstände führen einerseits zu einer linearisierenden Stromgegenkopplung an R13, R14 (bzw. R41, R42) für die Treiberröhren, andererseits ermöglichen sie die Einspeisung des Gegenkopplungssignals von den Anoden der Endröhren. In allen Anoden der ersten und zweiten Stufe werden parallel geschaltete Widerstände mit 1% Toleranz verwendet um die hohe Symmetrie des Verstärkers zu unterstützen.
Die Endröhren sind wiederum als Differenzverstärker geschaltet. Der Aufwand für die Konstantstromquellen CCS1 und CCS2 ist größer als für die der Eingangsstufe, siehe Schaltplan in Bild 1 und 2. Damit verschiedene Endröhrentypen verwendbar sind, muss der Ruhestrom und damit der Strom durch die Konstantstromquelle einstellbar sein. Durch den höheren Strombedarf der Endröhren im Vergleich zur Eingangstufe werden daher höher belastbare Leistungstransistoren T5 (bzw. T6) benötigt, die sich im Betrieb erwärmen und dadurch ihre Eigenschaften verändern. Um diese Veränderungen zu kompensieren, wird ein Operationsverstärker vorgeschaltet. Mit den Potentiometern P1 (bzw. P2) wird eine Referenzspannung erzeugt, die den Strom durch die Transistoren und damit durch die Röhren bestimmt. Der Operationsverstärker sorgt durch seine Eigenschaft die Differenz zwischen seinen Eingängen auf 0 V zu halten für eine konstante Spannung an den Widerständen R73 (bzw. R76). Dadurch wird auch die Temperaturdrift der Transistoren T5 (bzw. T6) ausgeregelt. Die Widerstände R21, R22 (bzw. R49, R50) ermöglichen eine Selektion der Endröhren auf gleichen Ruhestrom. Die Gegenkopplung führt das Signal von den Anoden der Endröhren zu den Katoden der Treiberröhren. Diese Gegenkopplungsschleife ist extrem kurz und minimiert damit Einflüsse des Ausgangsübertragers.
Die Netzteilschaltung ist in Bild 3 gezeigt. Nach dem Brückengleichrichter GR1 und den Siebkondensatoren C9 und C10 folgen zwei Stabilisierungen einerseits für die Schirmgitter der Endröhren und andererseits für die Versorgung der ECC 83. Beide Stabilisierungen sind identisch aufgebaut. Ihre Funktion wird daher nur einmal beschrieben. Der Kondensator C12 sorgt für die Referenzspannung am Gate des MOSFETs T3. Gespeist wird dieser Kondensator über den Spannungsteiler R59, R58, R57 und den Widerstand R60. R60 und C12 bilden gemeinsam einen Tiefpass mit einer –3 dB Frequenz von ca. 0,05 Hz. Das bedeutet, dass am Gate von T1 eine absolut saubere Gleichspannung anliegt. Da die Gate-Source-Spannung bei MOSFETs annähernd konstant ist, erreicht man am Ausgang des MOSFETs, und damit am Schirmgitter der Endröhren bzw. an den Vorröhren, im Fall der zweiten Stabilisierung eine ebenso saubere Gleichspannung. Durch den geringen Ausgangswiderstand des MOSFETs ist die stabilisierte Spannung weitestgehend signalunabhängig. D1 schützt den MOSFET vor zu hohen Spannungsdifferenzen zwischen Gate und Source, D3 sorgt für das Entladen von C12 beim Ausschalten des Verstärkers. C13 bietet den Vorteil eines besonders niedrigen Innenwiderstands und verbessert die Stabilisierung weiter. Über die Widerstände R67 bis R70 werden die Heizspannungen der Röhren auf Masse symmetriert.
Nach erfolgreicher Bestückung der Platine sind nur die Eingangsbuchsen, der Netztransformator und die Ausgangsübertrager zu verdrahten. Die erste Inbetriebnahme ist einfach. Man benötigt lediglich ein Multimeter, da die Endstufe keinerlei Abgleicharbeiten bei der Inbetriebnahme oder beim Röhrentausch erfordert. Vorerst werden nur die ECC 88 in die Fassungen eingesetzt. Dann wird der Verstärker eingeschaltet. Die Heizungen aller Röhren müssen nach wenigen Sekunden bereits leuchten. Nun werden die Heizspannungen an den Endröhrenfassungen geprüft. Hier sollten etwa 6,3 V Wechselspannung anliegen. Anschließend kontrolliert man die Betriebsspannungen, U1 ist ca. 375 V, U2 und U3 etwa 350 V, U4 genau 10V. Exakt in der Mitte der Platine befinden sich zum Messen dieser Spannungen die Testpunkte TP1 für U1, TP2 und TP3 für U2 und U3 sowie TP4 für U4 entsprechend dem Schaltplan in Bild 3.
Bevor die Endröhren eingesetzt werden, muss die Referenzspannung der CCS mit P1 (bzw. P2) auf 0 Volt gemessen an TP5 bzw. TP6 eingestellt werden. Sind alle Betriebsspannungen korrekt, können die Endröhren eingesetzt werden. Am Verstärkerausgang wird ein Lastwiderstand von 8 angeschlossen, dann schaltet man den Verstärker ein. Wenn die Endröhren leiten, also nach etwa 30 Sekunden Anheizzeit, muss die Referenzspannung der CCS so lange erhöht werden, bis der gewünschte Ruhestrom durch die Endröhren fließt. In unserem Fall sind das pro Kanal 170 mA für beide Endröhren gemeinsam, d.h. an den Widerständen R73 bzw. R76 fallen 1,7 V ab, das ist auch der Messwert an TP5 und TP6. Dieser wird an P1 bzw. P2 eingestellt und an den Testpins TP5 bzw. TP6 gemessen. Die Testpins TP7 bis TP10 dienen zur paarweisen Selektion der Endröhren. Die Spannungen an TP7 und TP8 bzw. TP9 und TP10 sollten möglichst gut übereinstimmen. In Bild 4 sind diese Details bei einem fertigen Symmetrix zu sehen.
Nun kann die weitere Funktion des Verstärkers getestet werden. Wenn kein Oszilloskop vorfügbar ist testet man mit einem Musiksignal. 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, kann der Ausgangsübertrager oder die Eingangsbeschaltung verpolt werden. Die Gegenkopplungsschleife befindet sich ausschließlich auf der Platine. Dadurch kann aus der Gegenkopplung auch bei invertierender Beschaltung des Ausgangsübertragers keine Mitkopplung werden. Nach dem Abschalten sollte etwa eine Minute gewartet werden bis wieder eingeschaltet wird. So vermeidet man unangenehme Geräusche im Lautsprecher, die durch das Wiederaufladen der Kondensatoren und das Anheizen der Röhren hervorgerufen werden.
Eine mögliche Aufbauvariante ist in Bild 5 zu sehen. Bei einem geschlossenen Gehäuse sind neben genügend Lüftungsöffnungen langsam laufende Lüfter von Vorteil um die Innentemperatur niedrig zu halten. Im Computerbereich findet man passende in Gummi gelagerte Lüfter, die unhörbar arbeiten.
(1) Bitterlich W., Elektronik, Einführung in die Elektronik, Springer-Verlag, Wien, New York. 1967.
(2) Tietze U., Schenk Ch., Halbleiterschaltungstechnik. Springer-Verlag.
