Röhrenverstärker Selbstbau


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Schaltnetzteile

Röhrentechnisches

Schaltnetzteile für Röhrenverstärker?

Röhrenverstärker müssen schwer sein, und sie brauchen große Netztransformatoren und Hochspannungsfeste Elko's.
Das entspricht den Vorstellungen der alten Schule - und ohne Zweifel hat es was für sich. Schon die Anmutung und ein Design das Unzerstörbarkeit genauso suggeriert wie kompromisslose Qualität sprechen zusammen mit dem Klang für den Röhrenverstärker.

Mit dieser Vorstellung von Röhrenverstärkern bin ich groß geworden und trotzdem neugierig geblieben. Deswegen gab es auch eine Überraschung für mich als mir ein Bekannter zwei Verstärker auf den Tisch stellte, die eines gemeinsam hatten - sie verzichteten auf den Netztransformator. Das eine Gerät war ein Vorverstärker mit Vorstufe für Phono Magnet und Klangregler, der andere lief mit 4 Röhren PL 300 (ähnlich 6FN5) als Endstufe.

Der absolut brummfreie Vorverstärker hat mich besonders fasziniert, was nicht gegen den anderen spricht den wir recht laut testeten. Nach dem lüften der Deckplatte kam so etwas wie das hier zum Vorschein.

Ein Schaltnetzteil für Röhrenverstärker. Das hier auf dem Bild trieb in der Testphase den Parafeed Mk II an.
Normal geht das nicht - oder besser gesagt nicht so gut. Nur dem Spezialwissen meines Bekannten der sich seit Jahren damit auseinandersetzt ist es zu verdanken, das dieses Teil weder bei großen Bassamplituden schwach wird, noch irgendein Störgeräusch liefert.

Ich kann nicht wirklich gut erklären wie es funktioniert. Aus dem Wechselstrom von 50 Hz wird nach der Gleichrichtung einer von 35.000 Hz mit dem der Wandlertrafo betrieben wird. Trotz dem erforderlichen Leistungsdurchsatz kann hier der Kern klein ausfallen. Eine ausgeklügelte Regelung sorgt dafür, das der Strombedarf des Verstärkers augenblicklich und sehr schnell gedeckt wird, z. B. bei den bereits erwähnten Bassamplituden. Hierzu braucht es keine dicken Elkos - es geht viel feiner.

Das Schaltnetzteil oben im Bild wurde an das Vorvorserienmodell des MkII angepasst. Diese "Heirat" mit dem Rest der Schaltung war ein kleines Ritual, bei dem nur ein Widerstand der Regelung des Netzteils geändert wurde. Dieses Netzteil liefert die 6,3 Volt für die drei Röhren des Parafeed und die 230 Volt Gleichstrom für die Anodenspannung und keinen höheren Klirr oder weniger Ausgangsleistung.

Wesentlich billiger als der Netztrafo den wir jetzt verwenden wäre es jedoch kaum in der Kleinserie geworden.

Der folgende Text ist nicht von mir, sondern von Burkhard Will. Das Thema Schaltnetzteil im Röhrenverstärker stelle ich hier einfach nur vor.

Wenn Sie mal Strom brauchen für Ihr Röhren-Projekt…

hätte ich was für Sie! Wie wär´s mit einem Schaltnetzteil?
So dachte ich 2002, als ich mein erstes Röhren Projekt beginnen wollte (einen 6C33 Eintaktvertärker), und es zum Thema Spannungsversorgung kam. Ich brauchte 200V; 350V;-120V;12V woher aber nehmen und nicht stehlen? Jedenfalls waren mir herkömmliche Gleichrichterschaltungen aus folgenden Gründen ein Gräuel:

  • 100 Hz Brumm
  • Trafo- altbewährt, aber teuer und groß (denn die geforderten Spannungen machen meistens Sonderwicklungen nötig)
  • Nicht Überlastfest


Etliche Kurzschlüsse und zerstörte Halbleiter später stand ein für Röhrenbetrieb geeignetes, einfaches Sperrwandler-Netzteil zur Verfügung.

Dieses möchte ich hier am Beispiel eines Projektes PL508 SRPP Verstärker 2x3W, vorstellen. Die Röhrenbestückung des Gerätes ist : 4 x PL 508 + 1 x PCC 89. Alle Messungen sind an diesem Gerät vorgenommen. Doch der Verstärkerteil soll hier nicht Gegenstand sein, sondern das Netzteil. Dies verfügt über 3 Ausgänge:

  • 340 V / 130mA
  • 74 V /300mA und
  • 12V / 50mA


Die Grundlast ohne Signal beträgt : 340V/90mA + 74V/300mA + 12 V für den Lüfter.
Im Prinzip ist es eine Schaltung um ein UC 3842, einen Pulsweiten modulierenden, mit fester Frequenz arbeitenden Switchmode-Contoller. Dazu als Schalttransistor einen schnellen Power Mos-FET, der eine hohe Spannungsfestigkeit besitzt.

Die Abbildung zeigt die "Primärseite" der Schaltung bis zum Wandlertrafo

Die Hilfsspannung an Pin 7 des IC muss begrenzt werden, da der Transistor mit seinem Gate diesen Spannungswert erhält. R12 dient der Bemessung der Energiemenge, die der Wandler pro Zyklus erhält. Die richtige Dimensionierung dieses Widerstandes hilft dabei, die Röhrenheizung beim Kaltstart sanft anzufahren, denn diese haben bekanntlich einen geringeren Kaltwiderstand und fordern somit einen größeren Anlaufstrom, den dieses Netzteil den Röhren z.T. verwehrt. Durch diese Eigenschaften ist R12 mit dem SENSE- Eingang am IC maßgeblich an der Kurzschlussfestigkeit der gesamten Schaltung beteiligt. Nicht zu vergessen, die Streufeldentsorgung, bestehend aus D1, D2 und R13 um Q1 vor Abschaltspitzen zu schützen. Diese fallen ohnehin sehr üppig aus, denn es ist: UN1+ U C14. Dies ist hier auf dem Oszillogramm (Messpunkt F) zu sehen:


Oszillogramm

Hier sieht man eine Abschaltspitze von 900V. Das ist nicht zu unterschätzen. Im weitern Verlauf der Spannung geht es nach UN1+ U C14.


Den Eingangskondensator C14 sollte man nicht zu groß wählen, um den Power-factor des Eingangswechselstromes nicht zu nachteilig zu beeinflussen. Außerdem dämpft diese Maßnahme den Einschaltstromstoß. Allerdings sollte man dieses bei der Bemessung der Primärwicklung N1 berücksichtigen.
Übrigens: Der Powerfactor ist eigentlich kein „Leistungsfaktor“, sondern einfach die Bezeichnung für die Überlagerung der Stromkurve mit Oberwellen auf der Netzspannung. Dies geschieht durch die Aufschaltung der Ladekapaziät an den Gleichrichter der Primärseite. Der Ladestrom des Elko´s folgt ja nicht einer Sinuskurve, sondern einer e-Funktion. Diese Oberwellen sorgen ( wenn genug davon da sind) für eine Verzerrung der Sinusform der Netzspannung. Deswegen ist der Oberwellengehalt für Netzgespeiste Geräte begrenzt worden, da natürlich immer mehr dieser Oberwellenerzeuger im Umlauf sind. In Fachkreisen Wermutstropfen genannt.

Die Primärhauptspannung an Messpunkt E sieht dann so aus:

Das sieht dramatischer aus als es ist, denn der Regler des UC3842 ist sehr schnell. Die Spannungswerte werden über den Optokoppler OK1 in Verbindung mit dem IC geregelt. Hier ist natürlich auf niedrigste Regelhysterese zu Achten, sonst sieht wird es nichts mit glatter Ausgangsspannung. Da wäre dann noch der Wandler. Dieser ist natürlich auch ein Transformator; physisch und im Sinne des VDE d.h. er muss den VDE Vorschriften hinsichtlich Spannungs- und Strombelastbarkeit genügen. Die Trennung zwischen Primär- und Sekundärteil ist hier eine Lebensbejahende Aufgabe, Solch ein Wandler ist natürlich kein Handelübliches Bauteil und erfordert somit Handarbeit. Man benötift einige Erfahrung. bis so ein Teil in den gewünschten Bahnen funktioniert. Die Berechnung findet sich im Internet. Die Wicklungen müssen sehr präzise in Windungszahl und Aufbau ausgeführt werden, da ansonsten der Streufluss zu hoch wird. Die Ladekapazitäten an den Ausgängen können sich in Grenzen halten, da es sich ja hier nicht um 50 oder 100Hz Betriebsfrequenz handelt.

Die Spannungs- und Stromwerte lassen mittels dieser Schaltung dann (fast) keine Wünsche offen. Die Belastungsschwankungen der Ausgangsspannung lassen sich durchaus auf 1 -2% beziffern. Ein solches Netzteil ist ohne weiteres bis 200W realisierbar, wobei zu beachten ist, das ab 75W Leistung der Powerfactor der Eingangsspannung zu beachten ist. Dies erfordert dann Korrekturmaßnahmen im Primärkreis um den Oberwellengehalt des Eingangsstromes zu begrenzen.
Der Sekundärkreis des Netzteils dagegen sieht schon recht überschaubar aus:

Schaltnetzteil Sekundär

Es sind die üblichen LC Filter ( L2/C7; L3/C13; L5/C12) verbaut um Verunreinigungen der Gleichspannung durch die Taktfrequenz zu beseitigen. Wobei die Drosseln hier allenfalls im mH bzw. myH-Bereich anzusiedeln sind. R 16 ist die Zwangsentladung der 350V. Feinsicherungen sind an sich unnötig, denn im Kurzschlussfall bekommt die Hilfswicklung der Primärseite nicht genug Energie und die Unterspannungsüberwachung des IC schaltet aus. Im Betrieb ohne Signal (also mit Grundlast, wie oben angeführt) sieht das dann der AC Anteil der Gleichspannung so aus ( Messpunkt A):

Oszillogramm 1

Die hier zu sehenden Schwingungen sind Regelschwingungen des Spannungsreglers. Das heisst nichts anderes als 0,2 Vss AC bei 344V mit Grundlast. Sie werden hiervon am Ausgang des Verstärkers sicher nichts mehr hören. Dies liegt auch in der Wellenform des Signals begründet. Es ist ohne Weiters möglich durch Verdoppelung von C 17 diesen AC Wert zu halbieren. Bei der hohen Arbeitsfrequenz sind die Kondensatorwerte noch recht handlich.
Belastet man den Verstärker nun mit einem 1 kHz- Signal sieht die Hauptspannung so aus (wieder Messpunkt A):

Oszillogramm 2_3

Hier beträgt der AC Anteil durch den Signalstromfluss der beiden Kanäle ausgelöst 0,8Vss. Wem das zuviel ist, der schaltet einen 220myF Elko auf Messpunkt A, dann ist man wieder auf 0,2 Vss AC.
Hier ist es natürlich eine Frage der Konfiguration, ob größerer Wert auf Spannungsstabilität oder Sanftanlauf der Röhren gelegt wird. Diese Forderungen sind gegenläufig, oder es muss größerer Schaltungsaufwand bezüglich des Sanftanlaufes des Heizkreises getrieben werden. Natürlich sind alle Spannungen kurzschlussfest, was einen weitern Pluspunkt darstellt.

Sicherlich ist der Phantasie an dieser Stelle keine Grenzen gesetzt. Z. Beispiel G2- Vorspannungen für Pentoden oder G1 –Vorspannungen für die 6 C 33 u.a. (90V) sind nun überhaupt kein Problem mehr.
Es ist natürlich so, das die Versorgung der Vorstufen selbstverständlich mit 5mV AC –Anteil nahe dem 0-Punkt valutiert. Das ist insbesondere für TA-Magnetentzerrer sehr hilfreich, da diese ohne größeren Aufwand an Schaltungstechnik integriert werden können.
Auch wenn man Fixed-Bias realisieren möchte, sind hier alle Wege offen. Ein weiters Thema wäre die 5 V Heizspannung für 300B Endstufen. Da diese Spannung ja gleichzeitig die Kathode beinhaltet, kann man sich vorstellen, ist eine Wicklungskombination aus einem Teil für –Ug und einem 2. Teil für +5V Heizspannung möglich. Auch fordern Kombinationen von Transistoren und Röhren keine größeren Extrabauten mehr. In dem folgenden Schaltungsteil zeige ich meine Lösung für die –Ug der 6C33 Endstufe:


Sekundärseite Schaltnetzteil 6C33

Hier ist für alles gesorgt:

+200V / 300mA Anodenspannung der 6 C33
+ 350V /50mA Versorgung der Vorstufen
– 150V individuell regelbare –UG für jede Röhrefür Lüfter oder Fernbedienung

Nun zu den Heizspannungen. Anfangs scheute ich dieses Thema, da hohe Ströme eine ganz besondere Anforderung für die Gleichrichterdioden sind. Aber für alles ist ein Kraut (in Form einer passenden Gleichrichterdiode) gewachsen.
So sieht man hier den AC Anteil der +74V /300mA (Messpunkt B) meines PL 508:

Sie hat einen AC Anteil von 0,6Vss.
Bei Volllast mit dem 1 kHz-Signal sieht dies dann so aus:

Sei zum Schluß noch das Thema Feldeinstreuungen genannt. Sicherlich hat der Wandler ein Streufeld. Nach meinen Erfahrungen hält es sich jedoch in Grenzen. Eine Blechabschirmung der gesamten Schaltung hat sich hier bewährt. Jeder Röhrentyp ist verschieden in der Empfindlichkeit. Ein PL- Typ ist gut gewappnet gegen Streufelder, manche EL.. oder ECC.. Typen mögen dies nicht so. Hier ist die Abschirmung unerlässlich. Messungen haben ergeben, dass die Befürchtung, die Primärschaltfrequenz fände sich als Einstreuung in den Röhrenkreisen wieder, unbegründet ist. Diesem ist mit ein paar einfachen Maßnahmen zu begegnen: wie z.B. Platinenaufbau der gesamten Schaltung; Funktionserdung und Blockkapazitäten im Gate-Kreis. Gegen Wärmenester rundet ein kleiner Lüfter ( je nach Leistung des Netzteiles) das Ganze ab. Aber!- Der Lüfter sollte natürlich auf kleinster Drehzahl laufen, damit er nicht stört.
Also wenn ich mal ein Röhren- Projekt habe…
…Ich weiß wo ich den Strom dafür herbekomme!

Burkhard Will.

Fragen die Sie mir dazu per Mail stellen, leite ich gerne an der Autor weiter

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