Hybridverstärker mit der 6N3P

Foto 1: Hybrid-Verstärker im Versuchsstadium

Das Foto zeigt meinen neuen Hybrid-Verstärker im Versuchsstadium. Ziel war, einen kleinen Verstärker zum Anschluss an die Soundkarte zu bauen, der den Bastelkeller mit Musik versorgt. Im Eingang arbeitet eine russische 6N3P Doppeltriode, aufgebaut auf einer kleinen Testplatine. Die 6N3P ist das russische Äquivalent der amerikanischen 2C51 und 5670 – eine Doppeltriode mit mittlerer Steilheit und relativ hoher Strombelastbarkeit. Die Verstärkung besorgt eine der beiden Trioden in Kathodenschaltung. Die zweite Triode ist als Kathodenfolger geschaltet und sorgt dafür, dass das Signal ausreichend niederohmig zur Verfügung steht, um die MOSFET-Ausgangsstufe treiben zu können. Das Netzteil für die Röhre ist rechts vorn im Foto zu sehen. Es liefert 220 Volt bei rund 8 mA und geregelte 6,3 Volt für die Heizung.

Im Stromverstärker arbeiten preisgünstige komplementäre (oder doch wenigstens beinahe komplementäre) IRF640 und IRF9640 MOSFETs von International Rectifier, die mit einer Drain-Source-Spannung von 200 Volt und einem Drainstrom von 18 bzw. 11 Ampere angegeben sind. Für kleinere Endstufen reicht das schon aus und auch die entstehende Wärme kann offenbar gut über das TO220-Gehäuse abgeleitet werden. Bei künftigen Versionen werde ich aber jeweils zwei MOSFETs parallel schalten. Die Transistoren habe ich auf einen Ruhestrom von rund 100 mA eingestellt, was den großen Kühlkörper kaum erwärmt. Die Ausgangsstufe wird mit ± 24 Volt versorgt – in der Testphase hat das mein Labornetzteil besorgt.

Eine Über-Alles-Gegenkopplung gibt es nicht. Die Schaltung erzielt einen Verstärkungsfaktor von rund 22 bzw. knapp 27 dB, was locker ausreicht, um Musik von der Soundkarte wiederzugeben. Wie häufig, wenn man Computer mit ihren Schaltnetzteilen und externe Elektronik verbindet, kann es Brummprobleme geben. Dagegen hilft ein Übertrager (sogenanntes „Endstörfilter“, z.B. von Hama), der die beiden Gerätemassen trennt.

Schaltbild 1: Eingangsstufe

Schaltbild 1 zeigt die Eingangsstufe des Verstärkers. Der Eingang ist für einen Röhrenverstärker ungewöhnlich niederohmig ausgelegt, um Probleme mit längeren Kabeln zwischen Soundkarte und Endstufe zu vermeiden. Wer will, kann das problemlos ändern. Übliche Soundkarten und auch CD-Spieler haben aber keine Probleme, eine Impedanz von rund 20 kOhm zu treiben. Der Kondensator zwischen Gitter und Kathode begrenzt den Frequenzgang bei rund 45 kHz (-3 dB) – ausreichend weit oberhalb des nutzbaren Bereiches von Soundkarte und CD. Ohne diesen Kondensator arbeitet die Endstufe bis rund 150 kHz, aber ich brauche ja keinen Mittelwellenempfänger („the more you open the window the more dust flies in“).

Die Spannungsverstärkung wird von der ersten Triode in Kathodenschaltung besorgt. In der gezeigten Version ohne Kondensator parallel zum Kathodenwiderstand habe ich an der Schaltung eine Verstärkung von rund 22 entsprechend 27 dB gemessen. In dieser Schaltungsvariante dient der Kathodenwiderstand zur Stromgegenkopplung der ersten Verstärkerstufe, die dadurch sehr linear wird. Wer mehr Verstärkung braucht, kann einen Elko von rund 100 µF/25V zum Kathodenwiderstand parallel schalten. Mit dem 220-Ohm-Kathodenwiderstand stellt sich ein Anodenstrom von rund 3.6 mA ein. Die Kathode liegt damit auf und 1.8 V. Da an den 24-kOhm-Widerständen je rund 600 mW Leistung anfallen, sind hier 2-Watt-Typen erforderlich. Die Triode liegt mit einer Verlustleistung von rund 0.6 W gut unterhalb ihres Limits von 1.5 W.

Die zweite Triode der 6N3P ist als Kathodenfolger geschaltet, um das Signal niederohmig an die Ausgangsstufe geben zu können. Der Ausgangswiderstand liegt bei rund 200 Ohm. Widerstände und HV-Elkos (Spannungsfestigkeit 385V) in der Betriebsspannung sorgen für eine gute Entkopplung. Die 6N3P wird mit einer geregelten Gleichspannung von 6.3 V beheizt und benötigt einen Heizstrom von rund 350 mA. In einer endgültigen Schaltung würde ich die Heizung eventuell durch eine entsprechende geregelte Gleichstromquelle ersetzen, um den Einschaltstrom bei kaltem Heizdraht zu begrenzen und so die Lebensdauer der Röhre zu erhöhen.

Schaltbild 2: Stromverstärker

Schaltbild 2 zeigt den besonders einfach aufgebauten komplementären MOSFET-Stromverstärker. Die Vorspannung zur Einstellung des Ruhestroms wird mit einer einstellbaren Zenerdiode erzeugt und an Poti P2 eingestellt. Die Bias-Erzeugung ist hier mit einem MOSFET T1 realisiert und hat einen leicht negativen Temperaturkoeffizienten, der dafür sorgt, dass der Ruhestrom bei steigender Transistortemperatur zurück geregelt wird. Zwischen Drain und Source von T1 sind bei korrektem Abgleich ungefähr 8 V messbar (ohne Eingangssignal). Den Ruhestrom misst man am besten über den beiden Source-Widerständen R10 und R11. Bei einem Ruhestrom von 100 mA fällt hier eine Spannung von 66 mV ab. Die Dioden und Zenerdioden D1 bis D4 schützen die beiden Ausgangstransistoren vor zu hohen Gate-Source-Spannungen.

Die Gate-Stopper-Widerstände R8 und R9 bilden zusammen mit den Eingangskapazitäten der MOSFETs einen Tiefpass und müssen in unmittelbarer Nähe der Gateanschlüsse angeordnet werden, um Schwingneigung der Ausgangsstufe zu vermeiden. Wer sich eine größere Bandbreite der Ausgangsstufe wünscht, muss hier mit niedrigeren Widerstandswerten experimentieren. Sauberer Aufbau vorausgesetzt gibt es nach meiner Erfahrung auch mit 330 Ohm keine Probleme. Kondensatoren und Elkos sorgen für die Entkopplung der Betriebsspannungen. Mit dem Poti P1 wird die Gleichspannung am Ausgang bei kurzgeschlossenem Eingang auf Null Volt abgeglichen. Alle Einstellungen sollte man noch einmal wiederholen, nachdem sich die Endstufe für rund eine Stunde warm gelaufen hat.

Beim Einbau in ein Gehäuse wird an den Lautsprecherklemmen noch das übliche Zobel-Glied und gegebenenfalls eine kleine Spule zum Abblocken von Einstreuungen über das Lautsprecherkabel (Langdrahtantenne) angelötet.

Messergebnisse

Bild 2: Verzerrungsmessung

Der Sound der Endstufe ist gut – soweit man das als Bastler objektiv beurteilen kann. Zur Messung der Verzerrungen habe ich mein eigenes THD-Programm eingesetzt, dass die Soundkarte als Sinus-Generator und als A/D-Wandler nutzt. Das Spektrum des aufgenommenen Signals wird per FFT errechnet und die Verzerrungen errechnet.

Bild 2 zeigt einen Screendump der Verzerrungsmessungs bei einer Leistung von einem Watt an 8 Ohm. Das entspricht einer Ausgangsspannung von 2,83 Vrms. Für diese Messungen benutze ich einen dicken Lastwiderstand auf einem Keramikkörper vom Elektronik-Flohmarkt.

Bei der niedrigen Leistung, die noch im Class-A-Bereich des Stromverstärkers liegt, sind die Verzerrungen mit rund 0,18 Prozent sehr niedrig – nicht schlecht für einen Verstärker ohne Gegenkopplung. Vor allem fällt im Spektrum auf, dass nur Verzerrungsprodukte sehr niedriger Ordnung prozudiert werden. Mit -58 dB liegt K2 am höchsten, gefolgt von K3 mit -59 dB, K4 mit -72 dB und K5 mit -73 dB. Alle weiteren Oberwellen spielen keine Rolle – ein deutlicher Hinweis, dass auch Crossover-Verzerrungen keine Rolle spielen. Das ist ein Vorteil des hohen Ruhestroms. Übrigens habe ich festgestellt, dass ich an meinem Arbeitsplatz, den die Hybrid-Endstufe zur Zeit beschallt, selbst bei kräftigeren Lautstärken kaum je aus diesem Bereich heraus komme.

Bild 3

Auch bei 10 Watt Leistung bleiben die Verzerrungen moderat. Das zeigt Bild 3. Dazu wurde THD bei 10 Watt Leistung gemessen. Der Klirrfaktor steigt auf rund 1.2 Prozent. Auch hier dominieren Produkte niedriger Ordnung, vor allem das „röhrentypische“ K2 mit -38 dB; K3 liegt demgegenüber bereits bei -57 dB.

 

Bild 4: Oszilloskop-Ausdruck

Bild 4 zeigt einen Oszilloskop-Ausdruck der Wiedergabe eines Sinussignals von 1000 Hz. Die Amplitude entspricht einer Effektivspannung von rund 5.8 Vrms an 8 Ohm.

Bild 5: Frequenzgang des Hybrid-Verstärkers

Bild 5 zeigt den Frequenzgang des Hybrid-Verstärkers (ohne Übertrager am Eingang, der für einen früheren und steileren Abfall im Bassbereich sorgt). Mit den Koppelkondensatoren im Versuchsaufbau (1.5 µF) wird eine untere Grenzfrequenz (-3 dB) von rund 10 Hz erreicht – das entspricht einem Eingangswiderstand des Stromverstärkers von rund 10 kOhm. Wem diese Grenzfrequenz zu hoch liegt, sollte hier Folien- Kondensatoren mit höherer Kapazität und ausreichender Spannungsfestigkeit (250 V) einsetzen. Für den endgültigen Aufbau habe ich Kondensatoren mit 4.7 µF vorgesehen – auch wenn das für die Widergabe von MP3s über die Soundkarte und kleine Breitband-Lautsprecher nicht nötig ist. Der in der Messung sichtbare Abfall bei 20 kHz ist zum Teil auf den 3.3 nF Kondensator am Eingang zurückzuführen, zum Teil allerdings auch auf den Frequenzgang meiner Soundkarte (Anti-Aliasing-Filter am Eingang).