Gegentaktverstärker mit der Doppeltriode ECC99
- von Thomas Moppert





Daten:
Leistung: 2 Watt pro Kanal bei <1% Gesamt-Klirrfaktor
Eingangsempfindlichkeit für Vollaussteuerung: 1 Veff.
Frequenzgang bei 1 W: 22 Hz – 110 kHz (-3dB)
Dämpfungsfaktor: 5,6

Steuerstufe respektive Phasenumkehrstufe:

Meine Forderung war, dass die Eingangs- respektive Phasenumkehrstufe ohne Gegenkopplung einen linearen Frequenzgang bis weit über 20 kHz aufweisen sollte. Da die ECC99 eine erhebliche Verstärkung aufweist, ist die Millerkapazität ein entscheidender Faktor, was bedeutet, dass bei zu geringer Ausgangsimpedanz des Phasendrehers mit einem relevanten Höhenabfall zu rechnen ist. Außerdem wollte ich eine möglichst große „HF-Symmetrie“ erreichen, was wiederum bedeutet, dass beide Ausgangsimpedanzen des Phasendrehers gleich, oder zumindest fast gleich sein müssen.
Mit einer Eingangsempfindlichkeit von 1 Veff. kann der Verstärker direkt von einem CD-Player angesteuert werden. Bei mir wird der Verstärker normalerweise über einen externen Vorverstärker angesteuert.
Um den oben genannten Bedingungen nachzukommen, habe ich mich für einen Phasendreher nach dem Prinzip des Differenzverstärkers entschieden. Man findet diese Schaltungsart auch unter den Begriffen „Schmitt-Phasendreher“ oder „Long tailed Pair“.

Erreichte Daten der Steuerstufe, respektive des Phasendrehers ohne Gegenkopplung:
Verstärkung: 22 dB.
Ausgangsimpedanz: Je 30 Kiloohm.
Maximal mögliches unverzerrtes Ausgangssignal: 70 Vpp.
Obere Frequenzgrenze (gemessen im Betrieb an den ECC99): Bis 26 kHz (-1dB), bis 60 kHz (-3dB).

Einige Erläuterungen:

Die Symmetrie der Ausgangsamplituden hängt unter anderem ab von der Größe von R4, dem gemeinsamen Katodenwiderstand, dem sogenannten „Tail-Resistor“, wie dieser Widerstand bei der Long tailed Pair-Schaltung genannt wird. Je größer er ist, desto symmetrischer werden die Amplituden an den beiden Anoden.
Allerdings verbleibt eine Amplituden-Asymmetrie, weil die zweite Triode in Gitterbasisschaltung etwas weniger verstärkt als die erste Triode in Katodenbasisschaltung.
Um die verbleibende Unsymmetrie auszugleichen, muß demzufolge der Anodenwiderstand der Gitterbasisstufe etwas größer gewählt werden. Exakt gelingt dies, wenn in Serie zum Anodenwiderstand ein Trimmer eingefügt wird, welcher nach dem Abgleich mit einem passenden Festwiderstand ersetzt wird. Da genügend Verstärkung vorliegt, habe ich eine Gegenkopplung von 6 dB, ausgehend von der Sekundärseite des Ausgangstrafos, eingebaut. Ihr Signal wird über den Spannungsteiler R9 / R5 in den Katodenzweig geführt. Mit dem Parallelkondensator zu R9 wird mit einem Rechtecksignal von 1 kHz und 5 kHz auf geringste Überschwinger am Lautsprecherausgang abgeglichen. Wer keine Gegenkopplung möchte, legt C4 und R4 direkt an Masse.

Nochmals ein Wort zum Symmetrieabgleich: Die Klirrprodukte von Trioden bestehen bekanntlich fast ausschließlich aus der zweiten Harmonischen. Da diese aber bei einem Gegentaktverstärker gegenphasig vorliegen, heben sie sich im Ausgangstrafo wieder auf. Ungeradzahlige Oberwellen sind bei Triodenstufen kaum vorhanden.
Somit müsste, bei gleicher Ausgangsamplitude des Phasendrehers, mit Ausnahme der wenigen ungeradzahligen Klirranteile, ein sehr oberwellenarmer Betrieb möglich sein. Grundsätzlich ist das auch so.
Ich möchte lediglich darauf hinweisen, dass man es hier mit dem Symmetrieabgleich selbst in der Hand hat, auf Minimum von k2 abzugleichen. Oder aber, man gleicht nicht vollständig auf Symmetrie ab, womit sich die geradzahligen Harmonischen nicht ganz aufheben und über die anderen, viel schwächeren, ungeradzahligen Klirranteile, dominieren.
Dominierende k2 soll ja eines der Charakteristika von Triodenverstärkern sein...

Gegentaktendstufe mit ECC99:

Gemäß Datenblatt beträgt die erlaubte Verlustleistung der ECC99 5 Watt pro System. Um die Röhren nicht zu überlasten und ihnen ein langes Leben zu ermöglichen, habe ich einen Arbeitspunkt gewählt, bei welchem die Anodenverlustleistung bei etwas über 60 % dieses Wertes liegt. In diesem Arbeitspunkt sind zur Vollaussteuerung der ECC99 16 Vpp nötig.
Mit den Trimmern P3 und P4 werden die Trioden auf gleiche Ruheströme eingestellt. Die entsprechenden Spannungen können an den Messpunkten über den 10-Ohm-Widerständen in den Katodenleitungen kontrolliert werden. Bei 12 mA Anodenstrom liegen die Gittervorspannungen bei ca. -9 Volt.
Die Trimmer und die zugehörigen Messbuchsen habe ich unter der herunterklappbaren Frontblende angebracht. Der in der Mitte sichtbare Drehknopf gehört zum Poti P1, das, wie schon erwähnt, bei meinem Verstärker normalerweise auf Maximum steht.

Als Ausgangstrafo wählte ich den Typ 53.56 von Gerd Reinhöfer mit einem Raa von 16 Kiloohm.

Netzteil:

Die bekannte Standard-Schaltung ermöglicht es, mit wenigen Bauteilen eine sehr gut gesiebte Betriebspannung zu erreichen. Bei den Zenerdioden ist zu beachten, dass sie Toleranzen aufweisen und ihr Temperaturkoeffizient positiv ist. Auch ist die Spannung über der Regelung recht klein, sodass vor allem der Siebeffekt zum Tragen kommt. Die gemessene Brummspannung am Eingang der Regelung beträgt 4 Vpp, am Ausgang beträgt sie noch 4 mVpp.
Mit dem Transistor BC546 und R5 ist eine Strombegrenzung bei ca. 90 mA realisiert.
Am Lautsprecher sind überhaupt kein Brumm und auch kein Rauschen zu hören. Die negative Gittervorspannung wird mehrfach gesiebt. Widerstand R6 bildet als Strombegrenzer die Lebensversicherung der 40-Volt Wicklung.

Ergebnisse:

Die Daten sind am Anfang des Artikels zusammengefasst.
Während des letzten Röhrenbudentreffens hatte Frank Kneifel sein Audio-Testequipment mitgebracht und den Verstärker durchgemessen.
Die folgenden Grafiken sprechen weitgehend für sich:

Bild 1: Frequenzverlauf und Phasengang an Messwiderstand


Die obere, blaue Kurve zeigt den Frequenzgang, die untere, rote Kurve zeigt den Phasengang des Verstärkers, gemessen an einem Messwiderstand bei 1 Watt.

Bild 2: Frequenzverlauf und Phase an Breitbandlautsprecher


Diese Kurven stellen das selbe dar, wie Bild 1, allerdings an einem Breitbandlautsprecher: Man erkennt, wie sowohl der Frequenzgang als auch der Phasengang unter diesen Bedingungen kaum schwanken.

Bild 3: Impedanzverlauf des Breitbandlautsprechers


Dieses Bild zeigt den Impedanzverlauf des bei der Messung in Bild 2 verwendeten Breitbandlautsprechers.

Bild 4: Klirrfaktorverlauf


Diese Kurven zeigen den Klirrfaktorverlauf von 100 Hz bis 10 kHz: Die obere Kurve ist der eingespeiste Grundton, die mittlere Kurve zeigt die zweite Harmonische, sie liegt recht konstant bei 0,3%. Die unterste Kurve zeigt die 3. Harmonische, sie schwankt zwischen 0,01 und 0,03%.


Rechteck bei 100 Hz


Rechteck bei 1 kHz


Rechteck bei 5 kHz

Schaltung
(Mit der Maustaste das Schaltbild anklicken, es wird dann in voller Auflösung dargestellt.)
Schaltbild des Verstärkers

Schaltung
(Mit der Maustaste das Schaltbild anklicken, es wird dann in voller Auflösung dargestellt.)
Schaltbild des Netzteils


Verstärker von vorn


Verstärker von unten


Verstärker mit abgeklappter Frontblende


Verstärker von oben

Hörerfahrungen:

Mit Lautsprechern, die einen einigermaßen guten Wirkungsgrad haben, können mit 2 Watt pro Kanal Lautstärken erreicht werden, die man normalerweise nur während Demonstrationen (z.B. am Röhrendudentreffen...), aber nicht beim Hören zu Hause benützt. Somit führen beim konzentrierten Hören am heimischen Herd auch Lautstärkespitzen nicht zu Verzerrungen. Was mir sofort auffiel, war die Präsenz, die große Räumlichkeit und der Detailreichtum der gespielten Musikaufnahmen. Es stellte sich eine gewisse Live-Athmosphäre ein, welcher man sich kaum entziehen konnte.

Dank:

Dieses Projekt wäre ohne die kompetente Hilfe und Anregungen einiger Freunde aus dem Forum und einiger Teilnehmer am vorletzten Röhrenbudentreffen nicht zustande gekommen. Dafür möchte ich mich herzlich bedanken.
Und natürlich danke ich Jogi, der mich angeregt hatte, das Projekt auf seiner Seite zu veröffentlichen und der schließlich durch sein Forum und die Röhrenbudentreffen in Mülheim die Kontakte ermöglichte... und hier schließt sich der Kreis wieder...!

Literatur:

Der Entwurf von Röhrenverstärkern, Menno van der Veen, Elektor 2010
Fundamental Amplifier Techniques with Elektron Tubes, Rudolf Moers, Elektor 2010
Diverse Bücher von Rainer zur Linde, erschienen im Elektor-Verlag

Basel, im Mai 2011, Thomas

Zurück zur Hauptseite