Hans Heyligers Serien-Gegentakt-Verstärker




Zu meiner Person:

Ich heiße Hans Heyligers, bin am 16.09.58 geboren, 42 Jahre alt, verheiratet und habe 2 heranwachsende Kinder, Tochter und Sohn. Ich arbeite als Controller in einer Chemiefirma. Letzteres hat zwar nichts mit Physik zu tun, aber es reicht ja, wenn ich etwas davon verstehe.

Zum Basteln mit Radioröhren kam ich über meinen Vater, der dies bereits in seiner Jugend gemacht hat und mir zu meinen Teene-Zeiten kein Geld gab um mir einen "vernünftigen" Transistorverstärker zu kaufen, mit dem ich richtig "einheizen" konnte. Stattdessen verwies er mich auf sein Sammelsorium an altem Radiokram, den er für seine Bastelzwecke benutzte. Aber seine Ziele lagen im Kurzwellenempfang und da wurde ich für den Bau eines nach kommerziellen Schaltungen halbwegs brauchbaren Röhrenverstärkers nicht sehr fündig. Aber es waren Sachen da, mit denen man was probieren konnte. Die entscheidenden Gedanken, daß man tatsächlich damit klargekommen wäre kamen mir allerdings sehr viel später. Damals hatte ich dann durchgesetzt, daß ich mir 2 Gegentakt-Trafos bei Radio Rim bestellen durfte, und habe mir dann mit 4 PL 509 (aus alten Fernsehern ausgebaut, da ich mir EL 34 nicht leisten konnte, Netztrafo habe ich nach eigenen Vorgaben für DM 5,- bei einer Elektromotorenfabrik wickeln lassen) einen 2 x 50 W Verstärker gebaut, der allerdings in Sachen "Brumm" und noch weit vom Optimum entfernt war. Aber es reichte, daß meine damaligen Schulfreunde alle "geil" darauf waren, mit dieser Powermaschine Discoabende zu gestalten. Ich arbeitete immer wieder daran und mit jedem Discoabend wurde das Ding besser. Probleme hatte ich mit dem schlappen Verstärkungsfaktor der PL 509. Dafür mußte ich mir spezielle Spannungstreiberschaltungen einfallen lassen, damit bei der hohen negativen Vorspannung der Endröhren von ca. -180 V der Eingangspegel stimmte. Ich hab dann auf dieser Schiene so lange weiter gemacht, bis ich später aus den gleichen Gegentakttrafos mit 4 x PL 519 und 800 V Anodenspannung dann mehr als 2 x 200 W rausgeholt habe. Damit war dann alles ausgereizt. Wie das Ding letztlich aufgebaut ist, das kann ich vielleicht ein andermal beschreiben, da es seit zehn Jahren unbeschadet in meinem Wohnzimmer steht und mich jeden Tag mit Musik erfreut und ich erst wieder ganz tief einsteigen muß, um zu sehen, was ich damals alles so verbrochen habe. Ich hab nämlich nie nach Schaltplan gebaut.

So, aber jetzt zu dem Ding, was mir am meisten Spaß macht. Das hat nämlich "nur" 2 x 13 W Ausgangsleistung. Es ging mir hier aber nicht darum, möglicht lautstark ein Fußballstadion zu beschallen, sondern um eine einfache und möglichst effektive Schaltung. Mir ging das damalige Problem, nämlich nur die ollen Sachen von meinem Vater zur Verfügung zu haben, nicht aus dem Kopf. Ich wollte einfach wissen, ob ich damals auch ohne teure Gegentakt-Trafos ausgekommen wäre. Nun, ein ausgiebiges Studium von neuartigen Verstärkerschaltungen brachte mich dann auf die Idee, es mal mit dem Serien-Gegentakt-Prinzip zu versuchen. Und nach langer Bastelei kam ich dann zu dieser Schaltung :



Den 2. Kanal hab ich mir erspart zu zeigen, lediglich die Verknüpfungen mit der Spannungsversorgung. Am Eingang findet sich eine Mischstufe (2 Poties mit je 1 MOhm), an ihr können ohne Impedanz-Änderungen CD-Player u.a. angeschlossen werden.
Die einstufige Vorverstärkung besorgt eine steile Triode (PCC 88), deren erbrachte Leistung durch ein nachgeschaltetes RC-Netz wieder gedämpft wird. Das RC-Netz dient zur gehörrichtigen Lautstärkeregelung, wodurch man auf Abgriffe am Lautstärkeregler verzichten kann.
Danach geht’s in eine weitere Vorverstärkungstriode einer PCL 86, in deren Kathodenwiderstand an 100 Ohm über 1,2k die Gegenkopplung einfließt, die aus der Sekundärwicklung des Ausgangstrafos gegriffen wird. Der übrige Kathodenwiderstand von 1k ist einstellbar. Meine ideale Einstellung liegt bei 560 Ohm. ohne zusätzlichen Kondensator ist die nachgeschaltete Phasenumkehrstufe an die Anode direkt gekoppelt. Die Spannungsversorgung beider Vorverstärkungstrioden beträgt ca. + 280V, erfolgt aus der Mittenanzapfung des Netztrafos und ist an 10 k mit 50 µF abgeblockt. Die übrige Spannungsversorgung beträgt + 600 V, wobei die Phasenumkehr an 150 k mit 4 µF auf der Primärwicklung des Ausgangstrafos abgeblockt ist, deren anderes Ende wiederum an der Mittenanzapfung des Netztrafos sitzt.
Durch Anoden- bzw. Kathodensignal der Phasenumkehr werden die nach dem Serien-Gegentakt-Prinzip arbeitenden Endröhren über Kondensatoren angesteuert. Bei den Endröhren sind die Gitter 2 über 1 kOhm als Trioden geschaltet. Die negative Vorspannung erhalten sie aus einer gesonderten Spannungsquelle. Sie soll auf einen Ruhestrom von 7,5 mA eingestellt sein. Um dies hinzukriegen kann man zunächst die untere Endröhre unter Abkopplung der oberen einstellen. Nach Wiederanschaltung der oberen stellt man den Ruhestrom zwischen Ausgangstrafo und Netztrafo dann auf 0 mA ein. Die negative Spannungsgleichrichtung sollte für beide Stereo-Kanäle unbedingt getrennt erfolgen und der Kathoden-Masse-Schluß der unteren Endröhre muß ganz kurz und aus dickem Draht (2mm) sein, sonst ist die Schaltung instabil. Wenn man das alles hat, dürfte der Nachbau kein Problem sein.
Auch sollten die Endröhren ausgesuchte Typen sein, deren Pentoden gleiche Werte aufweisen.

Als Netztrafo nimmt man einen, der früher Doppelgleichrichterröhren bediente. Aus 4 Fernseh-Netzgleichrichterdioden baut man sich den Brückengleichrichter selbst. Als Kondensator muß man sich 2 x 200 µF in Reihe schalten, da sie meistens nur 350 V vertragen. Der obenliegende sollte aber isoliert sein! (Es werden also 4 100-uF-Elkos benötigt).
Entweder man nimmt E-Röhren, dann ist die Beheizung über 6,3 V~ kein Problem. Bei P-Röhren muß man schauen, daß man das irgendwie mit der Heizung hinkriegt. Entweder hat der Netztrafo noch ein paar Anzapfungen oder man nimmt einen geeigneten Heiztrafo. Als Ausgangstrafo nimmt man zweckmäßigerweise einen aus alten Allstromgeräten mit UL 11, UL 12, UL 41 oder UL 84. Idealerweise sollte er 2000 Ohm auf der Primärseite haben und ca. 4 Ohm sekundärseitig. Dummerweise steht das aber nicht überall drauf oder ist nicht mehr lesbar.

- Kein Problem! Um es rauszukriegen schaltet man die Primärseite einfach ans 230 V-Netz und mißt sekundärseitig die Spannung: 230V/Ausgangsspannung = Übertragungsverhältnis. Dieses dann zum Quadrat mal 4 Ohm sollte dann 2000 Ohm auf der Primärseite ergeben. Wenn die Sicherung rausfliegt, dann taugt der Trafo nix, die Primärspule sollte mindestens nämlich 10 H haben. Falls einer das messen kann : Je mehr, desto besser der Frequenzgang! Normale Trafos haben 30 H, gute 40 H und mehr. Kann man nur 2 identische Trafos mit höher 2000 Ohm finden, dann macht das nix, nur die Ausgangsleistung wird dann kleiner. Dem Ausgangstrafo ist eingangsseitig noch ein RC-Glied parallelgeschaltet. Das dient zur Linearisierung des Frequenzgangs. Ohne diese RC-Glied kann man nur mit viel Eisen (viele Henry's) einen guten Frequenzgang erreichen. Mit einem für den Trafo individuell berechneten RC-Glied ist bei leichten Leistungseinbußen eine Frequenz-Linearisierung einerseits und andererseits eine deutliche Herabsetzung der unteren Grenzfrequenz möglich. Solange die recht komplizierten Berechnungsformeln einem noch nicht bekannt sind, sollte er das zunächst einmal weglassen. Ich konnte den Frequenzgang meines Verstärkers hiermit von 70 Hz auf 35 Hz nach unten herabsetzen, habe dafür ca. 8% Leistung geopfert.

Weiter unten in der Beschreibung werde mal darauf eingehen, wie man mit einfachsten Mitteln die Trafo-Induktivitäten bestimmt und danach das RC-Glied auslegt. Ich warne allerdings vor Probierern. Das haut erstens nie hin und zweitens stimmt dann bei bestimmten Frequenzen der Ausgangswiderstand nicht, was zur Zerstörung der Endstufe führen kann und nebenbei auch ein "Klangloch" hervorruft.
Ich werde weiter unten mal darauf eingehen, warum das Ding bei "nur" 2000 Ohm Ausgangswiderstand standhält, wogleich beim Gegentakttrafo an einer Anodenspannung von 300 V Werte von ca. 8000 Ohm (Anode zu Anode) gefordert sind. Eine Halbierung auf 4000 Ohm wäre ja noch zu verstehen, da anstelle zweier getrennter Wicklungen bei Gegentakt sich jetzt beide Endröhren eine gemeinsame teilen, wodurch ja bei gleicher Induktivität sich ja auch schlagartig die Trafogröße halbiert. Und bei 2000 Ohm halbiert sich die Trafogröße dann nochmal.

Zuguterletzt ist da noch die Sache mit dem Ruhestrom, der bei allen herkömmlichen Schaltungen durch den Ausgangstrafo fließt. Gerade bei "Class-A"-Verstärkern in Eintaktschaltung ist der magnetische Fluß ja durch den enormen Ruhestrom ja schon fast gesättigt. Für die Niederfrequenzübertragung bleibt da bei wenig Eisen nur noch wenig Spielraum. In obiger Schaltung ist der Ruhestrom durch den Trafo gleich 0 (vorausgesetzt man hat ihn richtig eingestellt). Alles Eisen steht damit für die Niederfrequenzübertragung zur Verfügung.
Ist schon ein kleines Wunder, welches Klangvolumen dann aus so kleinen Trafos herauskommt.
Und in Sachen "Brumm": Ich hab nichts getan und es war auch keiner da, einfach NICHTS!
Oder Verzerrungen? NEIN, stattdessen glasklarer Klang.
Also, viel Spaß beim Bauen. Bei Rückfragen helfe ich gerne weiter.
Ich werde es auch mal hinkriegen das Ding zu fotografieren, habe leider keine Digitalkamera.

Als Nachtrag noch eine kleine Anleitung, wie man mit praktischen Mitteln die RC-Brücke am Ausgangstrafo berechnet:

Bestimmung der Primärinduktivität Lp:


Für den Blindwiderstand Xp gilt Xp = 2 pi x f Lp = uXp/uRx x R.
Die Primärinduktivität Lp beträgt dann Lp = uXp/uRx x R/(2 pi x f) = 205/99 x 1500/(2x3,14x50) = 9,91 H (Henry).
Hinweis: Die Summe von uXp und uRx ergibt nicht 230 V! Das gilt nur bei einfachen Widerständen.

Bestimmung des Übersetzungsverhältnis ü:
Legt man die Netzspannung direkt an Xp, dann erhält man ü = uXp/uXs = 230/10 = 23.

Primärseitiger Belastungswiderstand Rp:
Wenn man den Ausgangstrafo sekundärseitig mit Ra = 4 Ohm belastet, dann ergibt sich für die Primärseite Rp = ü^2 x Ra = 23^2 x 4 = 2116 Ohm. Also, mein Trafo hat an der Primärwicklung etwas mehr als 2000 Ohm.

Letztlich für den Frequenzgang bestimmend ist der Wirkwiderstand Z:
Da Rp und Xp parallel liegen gilt 1/Z = 1/Rp + 1/Xp. Unglücklicherweise ist Xp ein Blindwiderstand, der um 90° phasenverdreht ist, darum sich uXp und uRx nicht auf 230 V addieren. Xp ist nämlich genau i x (2 pi x f) x Lp und ist komplex (hab ich oben geschlabbert, da ohne Relevanz). Beim Addieren muß ich das berücksichtigen, somit gilt 1/Z = 1/Rp + 1/(i x (2 pi x f) x Lp) = 1/Rp - i/((2 pi x f) x Lp).
Z steht zwar im Nenner aber das reicht erst einmal. Die, die sich mit komplexen Zahlen auskennen, können hieraus |Z|, also den realen Betragswert von Z errechnen und in Abhängigkeit von der Frequenz f den Frequenzverlauf darstellen.

Für "Otto-Normalverbraucher" interessant ist aber die Berechnung der Tiefstfrequenz fu:
Für fu hat der komplexe Wirkwiderstand 1/Z den Wert "0" bzw. Z wird dann unendlich (aber nicht |Z|!). Aus obiger Formel gilt dann: 1/Rp = i//((2 pi x f) x Lp). Quadriert man beide Seiten dann kann man das lästige "i" rausschmeißen (i^2=1!), danach zieht man wieder die Wurzel und kommt über Auflösung nach f zu der unteren Grenzfrequenz, also der Tiefstfrequenz fu = Rp/((2 pi)x Lp) = 2116/(2x3,14 x 9,91) = 34 Hz.
Unglücklicherweise beträgt der Wirkwiderstand |Z| an der Tiefstfrequenz fu nur noch 70% gegenüber dem Belastungswiderstand Rp. Mit steigender Frequenz steigt der Wirkungsgrad. Mit der resultierenden Verzerrung muß man leben. Sie läßt sich auf verschiedene Weise ausgleichen.
Einmal kann man die Tiefstfrequenz weiter herabsetzen. Rp könnte man verringern, ist aber durch die Belastbarkeit der Röhren schon aufs äußerste ausgereizt. Damit verbleibt die Primärinduktivität Lp, die man heraufsetzen kann. Ich erwähnte es ja, daß gute Ausgangstrafos bei 30 - 40 H liegen. Meiner ist knapp mit 10 H. Aber höher geht ins Gewicht und kostet einiges mehr. Damit kann man an dem eigentlichen Kurvenverlauf doch nichts ändern, man kommt nur in einen oberen Bereich, der weniger kritisch ist.
Einzig mit eine RC-Brücke ist man in der Lage, den Frequenzgang oberhalb der Tiefstfrequenz echt zu linearisieren. Die Herleitung hier darzustellen wäre zu umfangreich und schwierig. Zum Verfahren sei gesagt, daß die RC-Brücke in der entsprechenden Formel für den Wirkwiderstand Z berücksichtigt werden muß. Da der Kondensatorwert der RC-Brücke für die Tiefstfrequenz fu mit der Primärinduktivität Lp in Resonanz stehen muß, kann nach Thompson'scher Formel C durch einen Ausdruck mit Lp und fu ersetzt werden. Wegen R liegt die Resonanzfrequenz des Wirkwiderstandes |Z| aber nicht mehr bei fu sondern irgendwo oberhalb von fu. Als Resonanzbedingung |Z| ist nach f zu differenzieren und = 0 zu setzen. Zur Vermeidung eines Frequenzloches wird in diesem Ausdruck 1/f=0 gesetzt, es wird also ins Unendliche verbannt. Damit verbleibt als einzige Unbekannte dann R der RC-Brücke, wonach dann aufgelöst werden könnte, was allerdings wegen der Komplexität kaum möglich ist. Stattdessen ist es sinnvoller, die Tiefstfrequenz fu als variabel zu setzen und R in einem vorzugebenen Wirkungssgrad k einzubinden.

Bestimmung des Wirkungsgrad k:
Der Wirkungsgrad ist bestimmt durch k = |Z| / Rp.
Bei fu beträgt der Wirkungsgrad 70%, das wissen wir schon. Um den Abfall gegenüber höheren Frequenzen zu veringern, muß nun der Wirkungsgrad für f im Unendlichen so reduziert werden, daß er idealerweise auch 70 % beträgt. Das ist aber nicht möglich. Nach erneut recht komplizierten Berechnungen kommt man zu dem Schluß, daß bei k = 77,8% im Unendlichen die Sache ausgereizt ist. Diese knappen 8% Differenz werden aber bereits wenige Hz oberhalb von fu erreicht, so daß der übrige "theoretische" Frequenzverlauf praktisch wie mit dem Lineal gezogen waagerecht verläuft. Damit beträgt der überwiegende Wirkungsgrad knapp 78%.

Abgeleitete Formeln zur Bestimmung von R und C der RC-Brücke bei k = 77,8%:
Der Widerstand R hat den Wert R = 3,5 x Rp = 3,5 x 2116 = 7406 Ohm.
Der Kondensator C hat den Wert C = 4 x Lp/R^2 = 4 x 9,91/7406^2 = 0,7227 µF.

Das dürfte als nähere Erläuterung erst mal reichen. Wer näheres wissen will, oder glaubt sich kritisch äußern zu wollen: Ich bin für jede RUuuml;ckfrage dankbar.

Anmerkung: Dieser Verstärker ist meine eigene Entwicklung, er enthält Schaltungsstufen die es in dieser Form noch nicht gab. Ich erlaube hiermit, diesen Verstärker für eigene, private Zwecke nachzubauen. - Ein Nachbau für wirtschaftliche Zwecke, um Gewinne damit zu erzielen, ist jedoch - ohne vorherige Rücksprache mit mir - ausdrücklich nicht gestattet !

- Hans Heyligers

Mittlerweile erhielt ich vom Hans Fotos, die seinen Verstärker zeigen - dabei "entdeckte" ich, daß er ein Empfangsteil mit eingebaut hatte. Auf Nachfrage von mir schreib Hans mir folgendes:
"Ein Kurzwellen Einkreisempfänger ist dem Verstärker vorgeschaltet. Er funktioniert sehr gut und stabil, hat sowohl eine Strom- als auch eine Spannungsrückkopplung. Mit einem großen Drehko kann ich mir den Wellenbereich einstellen und mit dem kleinen in der Mitte erfolgt dann die Feinabstimmung. Der Antenneneingang ist mit 4 Windungen indirekt geschaltet. Die Schwingspule hat 10 Windungen, ebenso die Spule für die Rückkopplung. Alles in allem aber das Prinzip eines gewöhnlichen Einkreisempfängers."
Neugierig geworden bat ich den Hans nun doch um ein Schaltbild, heute erhielt ich es von ihm :


Hans schrieb mir folgendes zu diesem Schaltbild :

"Wie schon erwähnt hat die Primärwicklung der Spule 4 Windungen und sowohl Sekundär- als auch Rückkopplungswicklung je 10 Windungen. Letztere sind parallel nebeneinandergewickelt, während die Primärwicklung mit ca. 3 mm Abstand darüber liegt. Im Inneren der Spule ist ein kleiner Ferritkern, den man aus der Sekundär-/Rück-kopplungswicklung heraus in die Primärwicklung hineindrehen kann.
Durch Absenken des Kopplungsgrades wird die Trennschärfe aufgrund steilerer Flanken dann besser, die Empfindlichkeit aber geringer. Über die beiden Rückkopplungen kann man das mit der Empfindlichkeit wieder nachstellen, d.h. der Resonanzhöcker erhöht sich bei gegebener Basisweite. Der Spulenkörper ist aus Keramik und hat einen Durchmesser von ca. 2 cm."
Hier nun die Fotos, die ich vom Hans erhielt. Sie zeigen das Gerät mit abgenommener Frontplatte und offenem Gehäuse.


- Im Bild rechts (direkt links neben dem Drehkondensator) erkennt man den Keramik-Spulenkörper. Das nächste Foto zeigt das Gerät von der Unterseite.



Tip : Bei Oppermann - www.oppermann-electronic.de - kann man auf billigste Weise passende Netztrafos bekommen. Man benötigt für den Verstärker 2 x 235 Volt; bei Oppermann gibt es einen Netztrafo mit der Bestell-Numer NT 201; er bietet 260 V / 200 mA, 6,3 Volt 5 Amp., 14 Volt / 2 Amp. Dieser Trafo kostet nur sagenhafte 18,50 DM / Stück. Hiervon werden dann zwei Trafos benötigt, weil man 2 x 235 Volt braucht.
Oppermann bietet auch einen weiteren tollen Netztrafo an, Bestell-Nr. NT 3515, mit 380 Volt / 200 mA, 6,3 Volt / 6 Amp., 24 Volt / 1 Amp., er kostet nur 16,50 DM / Stück.
Und noch einen tollen Trafo gibt's dort : Der NT 202 bietet 270 Volt / 200 mA, 6,3 Volt / 1,6 Amp., 12 Volt / 1,5 Amp. zum Preis von 18,50 / Stück.



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