Leseprobe-Trans Röhrenverstärker by Elektor

ISBN 978-3-89576-307-6

Elektor-Verlag GmbH 52072 Aachen www.elektor.de

Mit diesen Geräten entwickelt er neue Trans-Verstärker, die mit Trans-Mini-1 und Trans-Mini-2 beginnen. Dabei handelt es sich um einfach nachzubauende, DC-gekoppelte SingleEnded-Röhrenverstärker mit ungeahnt guten Eigenschaften. Anschließend wird Trans an Verstärker mit höherer Leistung angepasst. Durch abwechselnde Rückschläge und Erfolge schließlich entsteht der Vanderveen-Trans-30, in welchem das Gute des Trans noch weiter verbessert wurde. Die besonderen Eigenschaften dieses Verstärkers waren es, die Menno van der Veen schließlich zu der Aussage bewogen, „Gold” in seinen Händen zu halten. Mittels Simulation und Vergleich mit anderen Verstärkertypen werden die Trans-Bedingungen erneut überprüft, um sicher zu stellen, dass Abweichungen in den Röhren das optimale Verhalten von Trans nicht beeinflussen. Dieses Buch liest sich wie ein spannender Roman, aber es ist mehr: Eine solide Untersuchung hinsichtlich neuer Methoden zum Erreichen einer optimalen Audiowiedergabe.

TRANS-RÖHRENVERSTÄRKER

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Menno van der Veen ist bekannt als Publizist auf dem Gebiet der RöhrenAudioverstärker, wobei deren Optimierung zu den Haupt-Zielen seines Ingenieurbüros zählt. In diesem Buch beschreibt er eine seiner Untersuchungen.

Ist es möglich, Fehler in Röhren und Ausgangstrafos spürbar zu kompensieren? Im vorigen Jahrhundert wurden sehr viele Maßnahmen zum Erreichen dieses Ziels entwickelt. Eine dieser Methoden ist in Vergessenheit geraten: Transkonduktanz, was soviel bedeutet wie „Umsetzung von Strom in Spannung” und umgekehrt. Autor Menno van der Veen hat diese Methode wieder zum Leben erweckt und gab ihr den Arbeitstitel „Trans”. Die Hintergründe und Eigenschaften werden genau so sorgfältig beschrieben wie die Fallstricke dieses Verfahrens, die Schritt für Schritt eliminiert werden. Dies führt letztlich zu einer Liste strenger Bedingungen, die von Trans erfüllt werden müssen.

TRANS RÖHRENVERSTÄRKER

MENNO VAN DER VEEN

Menno van der Veen

VANDERVEEN

TRANS RÖHRENVERSTÄRKER

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VANDERVEEN TRANS RÖHRENVERSTÄRKER ● Dipl. Ing. Menno van der Veen

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Elektor-Verlag Aachen

1. Neuauflage 2015

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All Die in diesem Buch veröffentlichten Beiträge, insbesondere alle Aufsätze und Artikel sowie alle Entwürfe, Pläne, Zeichnungen und Illustrationen sind urheberrechtlich geschützt. Ihre auch auszugsweise Vervielfältigung und Verbreitung ist grundsätzlich nur mit vorheriger schriftlicher Zustimmung des Herausgebers gestattet. Die Informationen im vorliegenden Buch werden ohne Rücksicht auf einen eventuellen Patentschutz veröffentlicht. Die in diesem Buch erwähnten Soft- und Hardwarebezeichnungen können auch dann eingetragene Warenzeichen sein, wenn darauf nicht besonders hingewiesen wird. Sie gehören dem jeweiligen Warenzeicheninhaber und unterliegen gesetzlichen Bestimmungen. Bei der Zusammenstellung von Texten und Abbildungen wurde mit größter Sorgfalt vorgegangen. Trotzdem können Fehler nicht vollständig ausgeschlossen werden. Verlag, Herausgeber und Autor können für fehlerhafte Angaben und deren Folgen weder eine juristische Verantwortung noch irgend eine Haftung übernehmen. Für die Mitteilung eventueller Fehler sind Verlag und Autor dankbar.

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Aus dem Niederländischen übersetzt von Kurt Diedrich. Übersetzung der niederländischen Ausgabe „Van der Veen Trans Buizenversterkers“. Satz und Aufmachung: D-Vision, Julian van den Berg | Oss (NL) Druck: Wilco Printing & Binding | Amersfoort (NL)

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ISBN 978-3-89576-307-6

149023-1/D

Elektor is part of EIM, the world’s leading source of essential technical information and electronics products for pro engineers, electronics designers, and the companies seeking to engage them. Each day, our international team develops and delivers high-quality content - via a variety of media channels (e.g., magazines, video, digital media, and social media) in several languages - relating to electronics design and DIY electronics. www.elektor.com

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Einleitung Um das Jahr 1985 erschien meine erste Veröffentlichung zum Thema Röhrenverstärker. Viele weitere Entwicklungen zu diesem Thema, die auf den reichhaltigen Erfahrungen meiner Vorgänger gründen, habe ich in meinen Büchern und meinen AES-Papers veröffentlicht. Zum Glück konnte ich jedoch ebenfalls etwas Neues zu diesem Themenkreis beitragen, wie zum Beispiel meine Ringkern-Ausgangstrafos und meine spezielle Auto-Bias-Schaltung. Im Jahre 1995 stolperte ich über einen bemerkenswerten Artikel zum Thema Transkonduktanz, doch es sollte bis zum Jahre 2013 dauern, bis ich ihm meine gebührende Aufmerksamkeit schenken konnte. Ich konnte förmlich “riechen”, dass es sich hier um etwas Bedeutsames handelte, hatte jedoch gleichzeitig das Gefühl, dass das Ganze noch mit Fehlern behaftet war. Diese vermochte ich in meinen späteren Untersuchungen tatsächlich aufzuspüren. Danach konnte ich mich vollständig dem Prinzip der Spannungs-Stromwandlung in Röhrenverstärkern widmen. Nach langen Berechnungen, Rückschlägen und Erfolgen war mein Trans-Verstärker gegen Ende des Jahres fertig. Ich hatte das intensive Gefühl, echtes “Gold” in meinen Händen zu halten - doch um ganz sicher zu gehen, war ich auch am Urteil meiner TubeSociety-Studenten und anderer erfahrener Hörer wie zum Beispiel diverser Audio-Interessengemeinschaften interessiert. Das Ergebnis bestätigte meine Vermutungen, dass ich etwas Ordentliches zustande gebracht habe. Ich besaß also einen neuen Verstärker, doch was nun? Ein neues Produkt auf den Markt bringen, noch eine eigene Firma dazu, oder besser einen anderen Weg wählen? Dem jugendlichen Eifer entwachsen, entschloss ich mich für zwei Varianten. Erstens: Die neuen Erkenntnisse mit meinen TubeSociety-Studenten teilen. Die zweite Variante haben Sie in Form dieses Buches vor sich liegen. Es beschreibt die Entdeckungsreise bzw. den Weg zu einer neuen Art von Röhrenverstärker für hochwertige Tonwiedergabe. Ich gab diesem neuen System den Namen TRANS, und da es sich bei den ersten Versionen um kleine Verstärker handelt, nannte ich sie “TRANS-MINI”. Während der Entwicklung von TRANS hat Pierre Touzelet zahlreiche Kontrollberechnungen für mich durchgeführt, auf die ich regelmäßig verweise und für die ich ihm sehr dankbar bin, weil er mit mir mitgedacht und sein umfangreiches Fachwissen eingesetzt hat. Ich wünsche Ihnen viel Spaß beim Lesen und hoffe, dass dieses Buch Sie dazu anregen wird, TRANS weiter zu entwickeln und die großartigsten Verstärker daraus zu machen. Hichtum, den 24.06.2014

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Über den Autor Im Alter von 12 Jahren baute Menno van der Veen seinen ersten Röhrenverstärker, und seither sind Röhren das Hauptthema in seinem schöpferischen Leben geblieben. Er studierte Physik und erteilte danach in diesem Fach Unterricht zur Lehrerausbildung an der VWO (vor-universitärer Bildungsgang). In seinem vierzigsten Lebensjahr gründete er ein eigenes Ingenieursbüro, in welchem er sich seinem Lieblingsthema widmete: Tonwiedergabe mit Röhrenverstärkern. Sein erstes großes Projekt war die Entwicklung neuer, breitbandiger Ringkern-Ausgangstrafos, die er anschließend in seine von ihm konzipierten, neuen Röhrenverstärker eingebaut hat. In dieser Zeit beschäftigte er sich auch mit den modernsten, weltweit angebotenen Audiogeräten und veröffentlichte als Rezensent von Au- Foto: Menno van der Veen dio-Zeitschriften etwa 360 verschiedene Artikel zu (Hans Stinnissen, 2013) diesem Thema, wobei die Frage “Messen wir, was wir hören?” immer wieder ein zentrales Thema darstellte. Dank intensiver Kontakte zu Kanada entstanden neue Untersuchungsgebiete, wobei er sich besonders der sauberen Übertragung von Energie widmete, bei welcher der Transformator als Bandfilter genutzt wird. Seine Arbeiten fanden ihre Krönung in einem neuen, einzigartigen Patent mit dem Namen “Narrow Bandwidth“ Technology. In seiner Funktion als Vorsitzender der niederländischen Sektion der Audio Engineering Society veröffentlichte er viele seiner Untersuchungsergebnisse. Dies geschah auch im Zusammenhang mit der “Nederlands Akoestische Genootschap” (NAG = Niederländische akustische Genossenschaft) sowie im Rahmen von Büchern und Masterclass-DVDs des Elektor-Verlags. Im Jahre 2004 wendete er sich auch den Röhrenverstärkern von Gitarristen zu, woraus sich eine neue Reihe von EI-Transformatoren entwickelte, die im Rahmen einer großen Untersuchung, genannt: “das Projekt”, entwickelt werden. Dabei geht es darum, mit einer möglichst geringen Anzahl stets gleicher Bauteile eine Vielfalt unterschiedlicher Röhrenverstärker zu konzipieren. Die von ihm gegründete Röhrenakademie TubeSociety existiert seit dem Jahre 2006. Die Studenten dieser Akademie lernen, wie man Röhrenverstärker entwickelt und konstruiert.

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Inhalt

Inhalt Einleitung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 Über den Autor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 Kapitel 1 • Historische Reise zur Transkonduktanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 Kapitel 2 • Das Grundprinzip der Transkonduktanz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 Kapitel 3 • Warum DC-Kopplung? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3-1 Der Probeverstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3-2 Allgemeine Eigenschaften des Probeverstärkers . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3-3 Lokale Gegenkopplung rund um die Filter . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3-4 Warum ist DC-Kopplung notwendig? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Kapitel 4 • VANDERVEEN-TRANS-MINI: ein DC-gekoppelter Single-Ended-Verstärker . 27 4-1 Vom Ein-Röhrenverstärker zum Vanderveen-Trans-Mini-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 4-2 Messergebnisse des Vanderveen-Trans-Mini-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 4-3 Subjektive Ergebnisse von Trans-Mini-1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4-4 Ein bisschen mehr Leistung mit Trans-Mini-2 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Kapitel 5 • TRANS muss hohe Anforderungen erfüllen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 5-1 Anforderungen an den Ausgangstrafo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 5-2 Anforderungen an die Spannungsgesteuerte Stromquelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 5-3 DC-Kopplung und Auto-Bias-Einstellungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 5-4 Endröhren: Pentode, Ultra-Linear oder Triode? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43 5-5 Paarweise Selektion von Bauteilen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 Kapitel 6 • TRANS mit OpAmp-Stromquelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 6-1 Grundkonzept einer OpAmp-Stromquelle . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 47 6-2 Realisierung von Stromquellen des Typs A und B . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 6-3 Die aktive Auto-Bias-Schaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 6-4 Die “Pro Endröhre” Trans-Schaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50 6-5 Der komplette PP-Trans-Verstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52 6-6 Schlussfolgerungen und Ausblick . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 Kapitel 7 • Der Röhrenverstärker Vanderveen-Trans-30 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 7-1 Konzept des Vanderveen-Trans-30 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57 7-2 Die Trans-Schaltung pro Endröhre . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

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7-3 Die Auto-Bias-Schaltung des Trans-30 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 60 7-4 Die komplette Vanderveen-Trans-30 Schaltung . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61 7-5: Objektive Messergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64 7-6 Subjektive Ergebnisse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68 7-7 Nachwort zum Vanderveen-Trans-30 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69 Kapitel 8 • Die tieferen Hintergründe von Trans . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 8-1 Über die Verzerrung in Ausgangstrafos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71 8-2 PPP: Die Alternative zu Trans? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73 8-3 Eigenschaften der Trans-Endröhren . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77 8-4 Beachtenswertes Verhalten bei hohen Frequenzen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 8-5 Lokale oder totale Gegenkopplung? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82 Kapitel 9 • Schlusswort und Schlussfolgerungen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85 Anhang 10-A • Pierre Toulezet über Transformator-Verzerrungen . . . . . . . . . . . . . . . 87 Anhang 10-B • Toulezet über PPP-Verstärker . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91 Kapitel 11 • Literatur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105 Kapitel 12 • Kontakte und Lieferadressen . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107

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Kapitel 1 • Historische Reise zur Transkonduktanz

Kapitel 1 • Historische Reise zur Transkonduktanz Die Fünfziger Jahre waren für die Entwicklung neuer Röhrenverstärker von großer Bedeutung. Peter Walker führte die Kathodengegenkopplung ein. Lackey und Chilton (1933) sowie Blumlein (1937), Keroes und Hafler (1951) (1, 2) zeigten der Welt, was Ultra-linear bedeutet, während McIntosh (1949) die Kombination von Kathoden- und Schirmgittergegenkopplung gelang (3). Diese Entwicklung habe ich viele Jahr später beschrieben (4; Kapitel 3), wobei die Ergebnisse in ein Standardmodell aufgenommen wurden. Ein paar Jahre später erfolgte die Einführung der lokalen Gegenkopplung von der Anode der Endröhre zur Kathode der Vorverstärkerröhre. Verstärker nach dem PPP-, dem Circlotron-und dem OTL Verfahren wurden von Futtermann (5) entwickelt, und noch sehr viel später lieferte uns Baby Huey (ByGingertube) einen inspirierenden Einblick in eine spezielle Gegenkopplung von der Anode der Vorröhre zur Anode der Endröhre. Die meisten dieser Schaltungen habe ich aufgebaut, untersucht und neu berechnet (6), wobei ich zwei Ziele verfolgte: Erstens: Linearisierung der Endröhre. Zweitens: Niederohmige Ansteuerung des Ausgangstrafos. Dank dieser beiden Annäherungen wurden die Verzerrungen rund um Endröhre und Ausgangstrafo stark reduziert, was nicht zuletzt dem analytischen Hören förderlich ist. Abweichend von diesen Entwicklungen gab es noch den durch Eastern Electric und Electrovoice begründeten Trend, bei dem nur ganz wenig oder gar keine Gegenkopplung angewendet und hauptsächlich im Single-Ended-Betrieb gearbeitet wurde (beschrieben von Jean Hiraga (7) und vor allem bei japanischen Audiofans sehr beliebt). Dieses alte Prinzip hielt sich recht standhaft und zeichnete sich durch ein bemerkenswert angenehmes Klangbild, schlechte Verzerrungswerte und eine gewaltige räumliche Wiedergabe aus. Auf die Besprechung dieses Zweigs wird im vorliegenden Buch verzichtet. Bei der Anwendung von Kathoden- und Schirmgitter-Gegenkopplung sind sehr große Spannungen zur Ansteuerung erforderlich. Die dabei entstehenden, starken harmonischen Verzerrungen müssen durch Gegenkopplung wieder unterdrückt werden – bis zur Veröffentlichung der Schaltung “Hot Audio Power” (8, 9, 10), wobei nur eine minimale, lineare Stromquelle erforderlich war, um die Endröhren mit geringer Verzerrung vollständig auszusteuern. Bei den Endröhren erfolgte in dieser Schaltung eine lokale Gegenkopplung von 100 Prozent. Dies führt zu einer hohen Linearität der Endröhren und einer niederohmigen Ansteuerung des Ausgangstrafos. In dieser neuen Transkonduktanz-Schaltungstechnik gehört der Ausgangstrafo NICHT zum Gegenkopplungskreis, was sich im Weiteren als sehr wichtig herausstellen wird. In letzter Minute entdeckte ich kurz vor der Druckfreigabe dieses Manuskriptes noch ein paar fantastische Artikel von John Broskie (siehe 11) zu dieser Schaltung. Leider war ich jedoch nicht mehr in der Lage, die betreffenden Informationen in dieses Buch einbringen zu können, so dass sich ein Besuch auf seinem lohnenswerten Blog auf jeden Fall empfiehlt. Sie finden dort Verweise auf ältere Quellen, die ich bis jetzt noch nicht kannte. Dafür mein-

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en herzlichsten Dank. Damit haben wir das Thema abgeschlossen und es wird deutlich, dass die gewieften, alten Füchse von früher dieses Prinzip bereits kannten. Gibt es denn dann noch etwas Neues unter der Sonne? Natürlich: Jeder arbeitet auf seine eigene Art und Weise und möchte seine Entwicklungen perfektionieren. Das geht auch mir so, und mein Weg zu diesem Ziel wird in diesem Buch beschrieben. Ein ausgeklügelter Weg zum Ziel der hochwertigen Klangwiedergabe wird durch die Transkonduktanz repräsentiert. Sie basiert vollständig auf früheren, großen Erfindungen und gibt uns heute die Antwort darauf, wie wir ein altes Ziel erreichen können: “Lineare, unverzerrte Klangwiedergabe mit Röhrenverstärkern”, ein Thema, dem sich dieses Buch voll und ganz widmet.

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Kapitel 2 • Das Grundprinzip der Transkonduktanz

Kapitel 2 • Das Grundprinzip der Transkonduktanz Transkonduktanz wird verständlich, wenn man moderne OpAmps als verstärkende Bauelemente verwendet. Das Funktionsprinzip kann, nachdem man es einmal verstanden hat, dann auch auf Röhren übertragen werden. Bild 2-1 zeigt einen invertierenden Operationsverstärker (OpAmp) mit Gegenkopplung, die durch die Widerstände R1 und R2 festgelegt wird. Der Eingang des OpAmps ist so hochohmig, dass der dort hinein fließende Strom vernachlässigt werden kann. Die offene Schleifenverstärkung A0 des unbeschalteten OpAmps (ohne Widerstände R1 und R2) ist derart hoch, dass bereits eine vernachlässigbar kleine Spannung am Eingang (entspricht Vout / A0) die Ausgangsspannung in die Begrenzung treiben kann. Aus diesem Grunde wird solch ein Eingang auch als “virtuelle Masse” bezeichnet, da sein Potenzial nur ganz gering vom Massepotenzial abweicht.

Bild 2-1: Invertierender Verstärker mit OpAmp. Eine Eingangsspannung Vin erzeugt in R1 einen Eingangsstrom Iin = Vin / R1. Dieser Strom kann nur über R2 weiter fließen. Bei einer Ausgangsspannung Vout gilt dann: Iout = Iin = -Vout / R2 = Vin / R1. Das Minuszeichen lässt erkennen, dass der Verstärker invertierend arbeitet (siehe auch Pfeilrichtungen in Bild 2-1). Die Spannungsverstärkung beträgt demnach: Vout / Vin = - R2 / R1. Stellen wir uns nun vor, dass wir den Widerstand R1 durch eine Stromquelle ersetzen (siehe Bild 2-2). Dabei entspricht der Ausgangsstrom Isource einer Eingangsspannung Vin, die die Stromquelle ansteuert. Daraus ergibt sich die Gleichung: Isource = g·Vin. Der Faktor g ist dabei die Transkonduktanz (Steilheit) der betreffenden Stromquelle. Dazu ein Beispiel: Bei

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einem Wert g = 2 mA/V liefert die Stromquelle einen Ausgangsstrom von Isource = 2 mA, wenn Vin = 1 V; und so weiter. Der Strom Isource kann nur über R2 weiter fließen, so dass Folgendes gilt: Vout = -Isource·R2 = -g·Vin·R2.

Bild 2-2: Invertierender Verstärker mit spannungsgesteuerter Stromquelle an Stelle von R1. Stellen Sie sich jetzt vor, dass R2 einen Wert von 100 kΩ besitzt. Bei einer Eingangsspannung Vin = 1 V ergäbe sich für Vout ein Wert von -2·1·100 = -200 V. Das bedeutet: Eine kleine Spannung Vin (nur 1 V) kann über einen geringen Strom Isource (nur 2 mA) eine hohe Ausgangsspannung Vout erzeugen. Das ist sehr praktisch. Stellen wir uns nun vor, dass wir am Eingang der Stromquelle keine Spannung Vin zur Verfügung stellen. Wir schließen den Eingang kurz. Der Verstärker aus Bild 2-2 entspricht dann demjenigen von Bild 2-1, wobei R1 nun die Ausgangsimpedanz der Stromquelle darstellt. Die Impedanz ist unendlich groß, und dies ist ein wesentliches Merkmal einer idealen Stromquelle. Die Spannungsverstärkung ergibt sich dann wie folgt: R2 geteilt durch die Ausgangsimpedanz der Stromquelle. Da diese unendlich ist, ist das Ergebnis Null. Das bedeutet: Die Ausgangsspannung wird 0 V. Mit anderen, vielleicht etwas verständlicher formulierten Worten: Jede Ausgangsspannung Vout erscheint über R2 vollständig am Eingang des OpAmp, da durch R2 kein Strom fließt, weil die Stromquelle selbst eine unendlich große Ausgangsimpedanz besitzt (wodurch wiederum kein Strom abfließen kann). Das ganze lässt sich sogar noch einfacher ausdrücken: Der OpAmp in Bild 1-2 ist zu 100 % gegengekoppelt. Dabei besitzt der Gegenkopplungsfaktor ß den Wert 1.

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Kapitel 3 • Warum DC-Kopplung?

Kapitel 3 • Warum DC-Kopplung? Eine der besten Methoden zum Test einer neuen Schaltung besteht darin, sie nachzubauen. Dann kann man selbst nachvollziehen, mit welchen Problemen man zu kämpfen hat. 3-1 Der Probeverstärker

Im Jahre 2012 habe ich eine Reihe von Verstärkern aus China für meine TubeSociety-Studenten erworben (siehe Foto 3-1), um diese im Verlauf des Kurses ordentlich aufzuwerten. Einen Bericht dazu finden Sie auf meiner Webseite (siehe 12). Im Jahre 2013 verwendete ich solch einen Verstärker zur Durchführung meiner ersten Trans-Experimente. Von der ursprünglichen Schaltung ist nichts mehr übrig geblieben. Nur das Gehäuse, der Netztrafo und die Röhren waren das Einzige, was ich als Startmaterial brauchte. Die Schaltung aus Bild 3-1 zeigt meinen ersten Versuch.

Foto 3-1: Der ursprüngliche Verstärker aus China

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Bild 3-1: Der erste TRANS-Testverstärker.

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Kapitel 4 • VANDERVEEN-TRANS-MINI: ein DC-gekoppelter Single-Ended-Verstärker

Kapitel 4 • V ANDERVEEN-TRANS-MINI: ein DC-gekoppelter Single-Ended-Verstärker Im Jahre 2012 entwickelte ich für das europäische Triodenfestival in Berlin einen super-einfachen SE-Verstärker mit nur einem verstärkenden Element pro Kanal. Bei der Endröhre handelte es sich um eine 6BX7GT, eine Doppeltrioden-Endröhre, bei der ich mit viel Mühe eine Leistung von fast einem Watt pro Kanal “herauskitzelte” (siehe Bild unten und Schaltplan in Bild 4-1). Um Näheres zu den Hintergründen dieser Schaltung zu erfahren, folgen Sie dem Literaturverweis 15 am Ende dieses Buches.

Foto 4-1: VDV-1-Röhrenverstärker für das ETF2012

Bild 4-1: Schaltplan des VDV-1-Röhrenverstärkers für das ETF2012

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Ein besonderes Merkmal dieser Schaltung stellt der mit einem OpAmp (OPA2134) aufgebaute Vorverstärker dar, der für eine hohe Eingangsimpedanz und eine hohe Empfindlichkeit zuständig ist. Ein Trafo von 600 Ω Eingangsimpedanz und einem Übertragungsverhältnis von 1:4 sorgt dafür, dass das Ausgangssignal des OpAmps mit der erforderlichen Steuerspannung (19 V Amplitude) zur Röhre weitergeleitet wird. Ein kleiner Ausgangstrafo von Loewe Opta (15 kΩ – 8 Ω) und ein Netzteil vervollständigen die einfache Schaltung. Obwohl die rein subjektive Beurteilung dieser Schaltung sehr gut war, ließ sie rein messtechnisch betrachtet noch einiges zu wünschen übrig. Die wichtigsten Messungen sollen nun kurz besprochen werden. Bild 4-2 zeigt den Frequenzgang, und Bild 4-3 vermittelt einen Eindruck hinsichtlich der Verzerrungen. Die Frequenzcharakteristik innerhalb der Grenzen von -3 dB umfasst ziemlich genau den menschlichen Hörbereich von 20 Hz bis 20 kHz. Zur Verzerrung trägt in erster Linie die zweite Harmonische bei, was den schönen und vollen Klangcharakter erklärt.

Bild 4-2: Frequenzcharakteristik des Ein-Röhren-Verstärkers

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Kapitel 5 • TRANS muss hohe Anforderungen erfüllen

Kapitel 5 • TRANS muss hohe Anforderungen erfüllen Das Trans-Prinzip wurde in Kapitel 2 formuliert und in den Verstärkern aus Kapitel 3 und 4 getestet. Die Schaltungen haben mich gelehrt, das Trans-Prinzip in den Griff zu bekommen – was mich wiederum in die Lage versetzte, wichtige Bedingungen zu formulieren. In diesem Kapitel werde ich diese noch einmal besprechen und verfeinern, um danach einen “perfekten” Trans-Verstärker zu entwickeln. 5-1 Anforderungen an den Ausgangstrafo

In den im Anhang mit (13) und (14) gekennzeichneten Veröffentlichungen habe ich bereits angedeutet, dass die Ausgangstrafos mit ziemlich merkwürdigen Fehlern behaftet sind. Die Umwandlung der aus den Endröhren stammenden, elektrischen Energie in magnetische Felder im Kern ist alles andere als linear. Genau so wenig wie die anschließende Umwandlung magnetischer Energie in elektrische Leistung in der Sekundärwicklung. Diese magnetische “Transkonduktanz” ist ein sehr nicht-linearer Vorgang. Nun bin ich natürlich nicht der einzige, der das so sieht. Viele haben sich mit diesem Thema beschäftigt, was zu einer großen Vielfalt an verschiedenen Stahl-Arten für den Kern geführt hat, wobei alle wiederum ihre positiven und negativen Eigenschaften besitzen. Stellen wir uns vor, wir haben das beste Material für den Kern gefunden und damit einen Trafo gebaut. Welche Bedingungen muss dieser Trafo dann mindestens erfüllen, um in einem Trans-Verstärker optimal angewendet zu werden?

a) S orgen Sie für möglichst niedrige Wickeldrahtwiderstände Rip und Ris. Ansonsten können Sie den niedrigen Innenwiderstand der Trans-Endröhre nicht voll ausnutzen.

b) S orgen Sie für ausreichende, primäre Selbstinduktion Lp, da ansonsten die Trans-Endröhre bei niedrigen Frequenzen ihre Energie in Lp “hineinpumpt”, statt diese an den Lautsprecher weiter zu geben.

c) V erwenden Sie bei Gegentaktverstärkern ein Kernmaterial, bei welchem die relative Permeabilität bei geringer Fluxdichte nicht zu sehr zusammenbricht, wodurch Lp wieder sehr klein werden würde. Bei Single-Ended-Verstärkern ist der Kernspalt meistens dominant und der Wert von LP ändert sich kaum mit der Signalstärke.

d) S egmentieren Sie die Wicklungen und wechseln Sie ab zwischen primär und sekundär. Damit vermeidet man zu große Leck-Induktivitäten Lsp, da diese zu unerwünschten Begrenzungen im höheren Frequenzbereich führt.

e) U m die primäre Wicklungskapazität Cip müssen Sie sich keine Gedanken machen. Die ansteuernde Trans-Endröhre ist niederohmig und wird von Cip kaum belastet (siehe Bild 5-1).

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Bild 5-1: Ersatzschaltbild eines Ausgangstrafos In allen zu diesem Thema besprochenen Verstärkern trat das Problem der Leck-Induktion auf. Ich habe bei meinen Ringkerntransformatoren dieses Problem stark reduziert. Daher werde ich in den folgenden Verstärkern meine Trafos verwenden, so dass alle Bedingungen erfüllt sind. In meinen Untersuchungen sind überraschende Tatsachen ans Licht gekommen, die deutlich zeigen, was bei Transformatoren alles schief gehen kann. Pierre Touzelet (18) ist ein Experte im Modellieren von nicht-linearen Systemen. Seine Hauptaufgabe beim Ircam-Institut war das Modellieren von Vibrationstischen zum Test der Schockresistenz von Raumkapseln, die sich durch ein nicht-lineares Verhalten auszeichnen. Wir beide haben uns über das vergleichbar nicht-lineare Verhalten von Kern-Stahl sehr viele Gedanken gemacht.

Bild 5.2: Verlauf der Fluxdichte im Kern, als dieser einem Paket von 40-Hz-Sinusschwingungen ausgesetzt wurde (nach Pierre Touzelet). Als Ergebnis zeigt Bild 5-2, was im Kern passiert, wenn dieser einer Reihe von 40-Hz-Sinusschwingungen ausgesetzt wird. Solch ein Testsignal ist mit echter Musik vergleichbar,

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Kapitel 6 • TRANS mit OpAmp-Stromquelle

Kapitel 6 • TRANS mit OpAmp-Stromquelle In diesem Kapitel geht es um einen 30-Watt-Gegentaktverstärker, der mit einer aktiven OpAmp-Stromquelle ausgestattet ist. Ich folge hier in erster Linie dem Literaturhinweis (8), wobei ich jedoch von den dortigen Vorgaben wegen der von mir geforderten DC-Kopplung abweiche. Der Ruhestrom der Endröhren wird mit einem aktiven Vanderveen Auto-Bias überwacht. 6-1 Grundkonzept einer OpAmp-Stromquelle

Bild 6-1 zeigt das Konzept meiner Lösung: Die Stromquelle A liefert einen Ausgangsstrom von IA = (Vref - Vin) / R0. Dabei ist Vref eine wählbare Referenzspannung, und Vin die Signalspannung (Musik). Im Ruhezustand ohne Signal liefert die Stromquelle IA,0 einen Wert, der sich aus Vref / R0 ergibt.

Bild 6-1: Trans-Grundkonzept mit OpAmp-Stromquelle Am Ausgang von A ist eine zweite Stromquelle (B) angeschlossen, die fest auf einen Strom IB von ungefähr 2·IA,0 eingestellt ist. Aus dem Schaltbild ist ersichtlich, dass von der Anode der Endröhre über den bereits mehrmals erwähnten Widerstand R** ein Strom IR** = IB – IA zur Stromquelle B fließt. Bei einer sicheren Hochspannung B+ und dem Widerstand R** kann der Strom IA mit Vref so genau eingestellt werden, dass am Steuergitter der Endröhre eine Spannung von etwas -35 V entsteht. Bei dieser negativen Spannung Vg1,0 fließt ein sicherer, erwünschter Ruhestrom Itube-0 durch die Endröhre. Der Röhrenstrom wird mittels einer aktiven Auto-Bias-Schaltung über einen externen Kathodenwiderstand von 10 Ω gemessen. Ist der Röhrenstrom zu hoch oder zu niedrig, dann ändert die AB-Einheit den Wert Vref entsprechend, so dass der Strom aus der Stromquelle A nachgeregelt wird. Das ganze ist ein geschlossener, stabiler Regelkreis ohne

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Koppelkondensatoren. Die Regelzeit ist hier einzig und allein durch die Reaktionszeit der AB-Einheit bedingt (extrem träge und in Bereichen von etwa 10 bis 100 Sekunden). Diese Lösung benötigt eine zusätzliche, negative Versorgungsspannung, die ich auf -100 V eingestellt habe. Ich arbeite mit Endröhren des Typs EL34 und erwarte dann am Steuergitter eine Wechselspannung mit einer Amplitude von maximal 35 V. Die Spannung am Steuergitter ändert sich dann zwischen maximal 0 und -70 V. Mit dem Netzteil von -100 V habe ich dann eine Spannungsreserve von 30 V. Dies garantiert, dass die Stromquelle B ihre “Hausaufgaben” gut erledigen kann. Statt der Stromquelle B kann auch ein Stromspiegel eingesetzt werden, doch Experimente haben gezeigt, dass hier das Rauschen erheblich höher ist (21). Daher meine Wahl für die wesentlich ruhigere und zuverlässige Stromquelle. Der oben beschriebene Vorgang lässt sich auch ganz gut, wie aus der folgenden Zeile ersichtlich, als Formel darstellen. Ein Zahlenbeispiel folgt dann danach. Dabei gelten folgende Voraussetzungen: VB+ = 355 V ; R** = 220 kΩ ; R0 = 1 kΩ ; Vg1,0 = -35 V (IB – IA,0) = (VB+ + |Vg1,0|)/R**  (IB – IA,0) = (355 + 35)∙V/220∙kΩ = 1.773 mA  Take IB = 4 mA;  IA,0 = 2.227 mA IB > 2∙(IB – IA,0)  Vref = 2.227 V Vref = IA,0·R0 Um etwas mehr Spielraum zu erhalten, wähle ich IB immer etwas größer als 2 ∙ 1,773 mA. Im Beispiel habe ich daher für IB einen Wert von 4 mA gewählt. Dann kann man Vref bequem so nachregeln, dass durch R** ein Strom IR** von (IB – IA,0) = 1,773 mA fließt. Beachten Sie bitte, dass der Wert der negativen Hilfsspannung (-100 V) nirgendwo in den Formeln erscheint und keinen Einfluss auf die besprochenen Stromstärken hat. Die einzige Bedingung besteht darin, dass ausreichend negative Spannung vorhanden ist. Dies bedeutet übrigens auch, dass die PSRR (power supply rejection ratio) entsprechend hoch ist. Ich empfehle, diese Hilfsspannung auf jeden Fall sehr sauber zu halten und gut zu stabilisieren. Formeln sagen nämlich nicht alles, vor allem, wenn nicht alles in sie hinein gesteckt wird. In Bild 6-1 ist zwischen Steuergitter und Kathode der Endröhre wieder die Schutzdiode D = BYV96 eingezeichnet. Auf diese Weise wird beim Kaltstart verhindert, dass das Gitter positiv gegenüber der Kathode werden kann. Nicht eingezeichnet ist die Beschaltung um die zweite Endröhre der Gegentaktschaltung, da hier exakt die gleichen Bauteile vorhanden sein müssen. Bei Verwendung mehrerer paralleler Endröhren zwecks Leistungsoptimierung muss jede Röhre ihre eigene Hilfsschaltung aus Bild 6-1 besitzen. 6-2 Realisierung von Stromquellen des Typs A und B

Bild 6-2 zeigt die Realisierung der Stromquelle A. Der Audio-OpAmp OPA2134 benötigt zwei Versorgungsspannungen: Vcc = + 12 V und Vss = - 12 V. Diese sind hier nicht eingezeichnet. In der Gegenkopplungsschleife ist der PNP-Transistor MJE350 enthalten. Das Eingangs-

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Kapitel 7 • Der Röhrenverstärker Vanderveen-Trans-30

Kapitel 7 • Der Röhrenverstärker Vanderveen-Trans-30 In diesem Kapitel wird ein Verstärker beschrieben, der mit meinem Namen und daher auch mit meinen Forderungen und Wünschen verbunden ist – sowohl im Hinblick auf die Messtechnik als auch auf den subjektiven Höreindruck. Mein Ausgangspunkt war von der Tatsache bestimmt, dass die ersten Hör-Erfahrungen mit der FET-Stromquelle sich als äußerst positiv erwiesen – und dies trotz der relativ großen, durch die zweite und dritte Harmonische bedingten Verzerrungen. Die muss ich allerdings noch reduzieren, ohne dabei jedoch auf die zu heftig reagierenden OpAmps zurückzugreifen. Ich werde wieder die hervorragende Endröhre EL34 verwenden, doch die berühmten Endröhren aus der KT-Reihe sind natürlich auch geeignet. Die Berechnung der in diesem Fall entsprechend zu ändernden Versorgungsspannungen und Ströme möchte ich jedoch dem Leser überlassen, der im weiteren Verlauf des Textes dazu ausführliche und deutliche Hinweise findet. Den Phasendreher habe ich mit einem für Musikzwecke geeigneten OPAmp mit extrem niedriger Verzerrung realisiert. 7-1 Konzept des Vanderveen-Trans-30

Bild 7-1 zeigt das Konzept der neuen Schaltung. Bei F1 und F2 handelt es sich in beiden Fällen um die Typen BSP135 mit einer guten Stromquelle an der Source. Das ideale Verhalten der FETs wird auf diese Weise von außen unterstützt. Die Stromquelle F1 wird von der Signalspannung (Musik) gesteuert. Bei F2 handelt es sich um einen Source-Folger, der die Röhre niederohmig ansteuert. Die Auto-Bias-Einheit misst den Ruhestrom der Endröhre Itube-0 über RC (10 Ω) und stellt die Stromquelle A auf die richtige, negative Spannung Vg1k von ungefähr -35 V ein. Der an die Source von F1 angeschlossene Widerstand Rgain steht mit dem gleichen Punkt der anderen Phasenhälfte der Gegentaktschaltung in Verbindung. Die Verstärkung vom Eingang bis zur Anode der Endröhre ergibt sich aus der Formel: Va / Vin = -2·R**/Rgain. Die Diode D zwischen Steuergitter und Kathode verhindert, dass das Steuergitter beim Einschalten positiv gegenüber der Kathode wird. Genau dieselbe Trans-Hilfsschaltung befindet sich auch in der anderen Hälfte der Gegentaktstufe. Am Eingang der Trans-Schaltung befindet sich nun ein Koppelkondensator. Er ist nicht Teil der lokalen Gegenkopplung und schadet daher auch nicht der Stabilität bei niedrigen Frequenzen. Der Rest der Trans-Hilfsschaltung plus Endröhre ist, wie gefordert, komplett DC-gekoppelt. Dank des Einsatzes der FETS fließen nun keine Basisströme mehr. Die internen Kapazitäten der FETs können sich eventuell noch nachteilig auswirken; eine Gefahr, die jedoch durch die niederohmige Ansteuerung der FETs noch verringert werden kann.

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Bild 7-1: Konzept des VDV-TRANS-30 (Hälfte der Gegentaktstufe) Ist dies der richtige Weg? Wird nun alles gut? Werden so die Probleme aus Kapitel 6 vermieden? Zur Beantwortung dieser Fragen zeige ich Ihnen zunächst die Ergebnisse der Messungen zur Verzerrung (Bild 7-2).

Bild 7-2: Harmonische Verzerrung des Vanderveen-Trans-30 bei +9 dBV an 8 Ω Belastung. Auffallend ist, dass die vierte, fünfte und sechste Harmonische nun jeweils schwächer ist als die zweite und dritte Harmonische. Die Werte der zweiten und dritten Harmonischen sind auch kleiner als diejenigen aus Kapitel 6. Das klingt vielversprechend, weshalb ich diesen Weg nun weiter verfolgen werde.

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Kapitel 8 • Die tieferen Hintergründe von Trans

Kapitel 8 • Die tieferen Hintergründe von Trans Dieses Kapitel widmet sich den tieferen Schichten von Trans, die wenig mit dem Bau von Trans-Verstärkern zu tun haben. Während des Bauens und Entwickelns habe ich mir mehrmals die “warum”-Frage gestellt, und dabei ging es mir um Folgendes: “Verstehe ich, was hier geschieht, oder habe ich lediglich eine vage Vermutung? Die Antworten, die ich darauf fand, werde ich im Folgenden besprechen. 8-1 Über die Verzerrung in Ausgangstrafos

In diesem Kapitel greife ich zurück auf eine alte Promotionsstudie von Partridge, die etwa aus der Zeit des zweiten Weltkriegs stammt. Partridge ist ein bekannter Name im Land der Transformatoren, und die Trafo-Herstellerfirmen fanden es recht sinnvoll, Transformatoren weiter zu erforschen. Erst wenn man versteht, was in einem Trafo wirklich geschieht, kann man ihn weiter verbessern und eine hohe Qualität liefern. Das traf auch für mich zu, als ich meine Ringkerntrafos entwickelte. Ich brauchte Jahre, um alles zu erforschen. Die betreffenden Erkenntnisse sind mir sehr zugute gekommen, und ich werde einen Teil davon an dieser Stelle weiter geben. Im Kern eines Trafos verändert sich die relative magnetische Permeabilität µr mit der Höhe der Fluxdichte B. B entspricht der Spannung Vp, die über der primären Wicklung anliegt (siehe Bild 8-1). Weitere Informationen finden Sie bei den Literaturhinweisen unter Punkt 13.

Bild. 8-1: Messung von mr von 10-8 bis 10-1 T; Extrapolation der Werte unter 10-8 T. Maximaler Fehler unter 10-3 T = 20 %.

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In seiner Studie äußert sich Partridge wie folgt: Die Selbstinduktion LP der Primärwicklung entspricht der veränderlichen relativen Permeabilität. Der in die primäre Wicklung fließende Strom IP berechnet sich nach der Formel: Ip = Vp / (2·π·f·LP). Dieser Strom wird verzerrt, da der Wert von LP signalabhängig ist. Wir wollen die Stromverzerrung einmal DI% nennen. Welchen Anteil dieser Verzerrung können wir auch in den sekundären Spannungen nachweisen? Diese Frage kann mit einem Zwischenschritt beantwortet werden (siehe Bild 8-2).

Bild 8.2 Schematische Darstellung eines Röhrenverstärkers, der über einen Ausgangstrafo einen Lautsprecher ansteuert. Die Röhren bilden zusammen eine Spannungsquelle mit der Ausgangsimpedanz Ri,eff = 2·ri, wobei ri den Innenwiderstand einer einzelnen Endröhren darstellt. Für den Lautsprecher ergibt sich auf Grund einer Transformation zur Primärseite der Ausdruck Zaa = Zs·(Np/Ns)2. Die komplette Impedanz, die sich mit Lp effektiv in Serie befindet, ergibt sich dann aus der Parallelschaltung von Ri,eff und Zaa. Daraus ergibt sich wiederum: Req = Ri,eff//Zaa. Dann gilt nach Partridge (erste Annäherung):

Die Spannungsverzerrung DV% hängt nach dieser Formel vom Kernmaterial (DI% und LP), von der Frequenz f und von Req ab. Bei Trans passiert nun Folgendes: Req wird durch die lokale Gegenkopplung sehr klein. Dadurch wird automatisch auch die Spannungsverzerrung klein.

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ISBN 978-3-89576-307-6

Elektor-Verlag GmbH 52072 Aachen www.elektor.de

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