Eine 6S33S Endstufe in der 50 kg Klasse

Wolfgang Trinks
07/2023

Auf dem Weg zu neuen Ufern:

Nachdem ich meine Bastler-Jugend, und dann im Anschluss mein berufliches Leben in der Halbleiterwelt verbracht habe, bin ich durch die Suche nach etwas „Neuem“ während der Corona Schlafphasen auf die Röhrenverstärkerwelt aufmerksam geworden. Der Einstieg fiel eigentlich leicht, da es sich ja um fundamentale Elektrotechnik, also das Handwerkszeug eines Entwicklers handelt und sowohl historische, wie auch zeitgenössische Literatur in Hülle und Fülle zur Verfügung steht.

Als Einstieg habe ich ein 4B4G (6S4S) DIY-Konzept aufgebaut, danach war ich den Röhren verfallen und auf der Suche nach dem nächsten Projekt.

Nun, es geht natürlich auch nicht ohne den Austausch mit erfahrenen Personen. Und so bin ich im Internet auf Informationen und Bilder zum Projekt „Eisenschwein“ von Arkadi Dolinski gestoßen. Es handelt sich dabei um einen 2S4S (2A3) Verstärker, der seine Leistungsdaten dem Schaltungsentwurf, aber nicht zuletzt seinem „Heavy Metal“, sprich reichlich dimensionierten Ausgangs Übertragern, Drosseln und Netztransformatoren zu verdanken hat.

Als Namensgeber dient eine 120 Tonnen schwere Elektrolokomotive:

Die Ähnlichkeit ist nicht zu übersehen:

Es nimmt Formen an:

Nachdem ich mit Arkadi Kontakt aufgenommen hatte wurde bei einem Besuch in seiner Werkstatt der Plan einer 6S33S Endstufe unter Einsatz seines „Eisens“ immer konkreter.

Als Projektbeschreibung formierte sich:

Einige bahnbrechende Konzepte sollen schon auf Grundlage so eines „Fresszettels“ entstanden sein.

Erster Schritt, die Vorstufe:

Zunächst galt es nun eine Vorstufe zu entwickeln, die als einstufiges Konzept die notwendige Spannungsverstärkung bei ausreichend niedriger Impedanz zur Ansteuerung der 6S33S zur Verfügung stellt. Weiterhin sollte der Klirrfaktor möglichst gering sein, da die End-Röhre von sich aus genug Harmonische produzieren wird um den Röhrencharakter abzubilden.

Um mit einer Stufe die notwendige Spannungsverstärkung bei vertretbarer Versorgungs-Spannung zu erreichen war anzunehmen, dass eine Anodendrossel bzw. ein Zwischen Überträger zum Einsatz kommen musste. Der Zwischen Überträger ermöglicht zudem eine niederohmige Einspeisung der Gittervorspannung. Das macht den möglichen hohen Gitter-Leckstrom der 6S33S bei entsprechender Gitter-Vorspannungserzeugung leicht beherrschbar.

Die Vorstufe wurde separat aufgebaut und getestet. Als Anodenlast kam eine Drossel aus Arkadi´s Standard Repertoire zur Anwendung, die später durch den Zwischen Überträger ersetzt werden sollte. Von 19 getesteten Röhrentypen erwies sich die 6sh43p in Trioden Schaltung bei einer Verstärkung von 38, einem Innenwiderstand von 1,7 kOhm und einem Anodenstrom von 20mA als der absolute Favorit.

Gerne hätte ich auf die D3a oder die 6sh52p zurückgegriffen, denn beide hätten etwa 50% mehr Verstärkung geboten, aber die kombinierten Werte der 6sh43p hat keine dieser Kandidaten erreicht.

Der perfekte Zwischen Übertrager hat ein Übersetzungsverhältnis von 1:1, wird dieses erhöht so verschlechtern sich die Parameter. Um aber das Ziel von 3-4 W bei 775 mV rms am Eingang zu erreichen wurde der Übertrager als Kompromiss mit einem Übersetzungsverhältnis von 1:1,3 gewickelt.

Damit erreicht die Vorstufe eine Verstärkung von 50. Sie ist somit in der Lage die 6S33S bei etwa 1,2 Volt (rms) am NF-Eingang vollständig auszusteuern.

Da Bilder bekanntlich mehr sagen als Worte sind die erzielten Parameter in den folgenden Diagrammen dargestellt.

Der Frequenzgang ist extrem linear, bei 70kHz habe ich aufgehört zu messen.

Die Verstärkung ist nahezu konstant über den gesamten Ausgangs-Spannungs Bereich.

Die Ausgangs-Spannung und Klirrfaktor steigen proportional zur Eingangs-Spannung an. Der maximale Klirrfaktor liegt bei 0,32%.

Der Klirrfaktor Verlauf über das Audio Frequenzband ist für Frequenzen oberhalb 60 Hz nahezu konstant, unterhalb erfolgt ein geringfügiger Anstieg auf < 0,6%

Die Rechteck Antworten auf 100Hz/1kHz/10kHz

Ein Wort zur Aussage solcher Rechteckantworten:

Bei der 100 Hz Messung kann man sich einen schnellen Überblick über den Frequenzgang verschaffen. Der vordere Teil des Plateaus repräsentiert die Amplitude der hohen Frequenzen, der hintere die im Bassbereich. Hier sind die Plateaus entgegen dem Uhrzeigersinn gekippt. Daraus folgt, dass die hohen Frequenzen stärker gedämpft sind als die niedrigen. Ein kurzer Blick in das Diagramm des Frequenzbereichs bestätigt dies. Es ist damit eine relative Bewertung möglich.

Bei der 1kHz Messung spielen die Frequenzen im Bassbereich keine Rolle mehr, hier sieht man die ansteigende Flanke schon deutlich detaillierter. Wären die Flanken verschliffen könnten wir Defizite im Frequenzgang der hohen Audio-Frequenzen erkennen. Ein leichtes Überschwingen am Anfang der Flanke wäre aber akzeptabel. (siehe unten).

Die 10kHz Messung betrachtet nun das Übertragungsverhalten im oberen Audio-Bereich durch „die Lupe“. Hier werden bei jedem Audioverstärker die Flanken leicht verschliffen sein. Je weniger, desto besser ist das Verhalten bei hohen Frequenzen. Da die Erregung mit einem Rechtecksignal erfolgt, nicht mit einem Sinus lässt sich hier auch die „Sprungantwort“ (Slew-rate) beurteilen. Ein „Klingeln“ am Beginn der Flanken ist für Systeme mit Drossel/Übertragern unvermeidbar. Erstaunlicherweise wird der Klang des Verstärkers bis zu gewissen Grenzen eher positiv beeinflusst.

Für alle Messungen gilt, dass die Symmetrie der ansteigenden/abfallenden Flanken ein Qualitätsmerkmal ist.

Das Spektrum des Treiberausgangs bei 1kHz zeigt deutlich, dass keine relevanten Harmonischen oberhalb der 2. Ordnung erzeugt werden

Das Netzteil der Vorstufe:

Da es recht bald absehbar wurde, dass in Bezug auf das Gewicht die Planungsgrenze erreicht war, habe ich mich zur Versorgung der Vorstufe für ein MOSFET stabilisiertes Netzteil entschieden. Somit konnte auf eine Drossel zur Glättung verzichtet werden. Das verwendete Netzteil dämpft die 100Hz und dazu gehörigen Oberwellen der Gleichrichtung mit mehr als 100 dB. Der differentielle Ausgangswiderstand ist etwa 1/10 des ESR hochwertiger Elektrolyt Kondensatoren.

Es gibt nicht viele Möglichkeiten so ein Netzteil zu bauen, daher hier nur ein paar Hinweise zu dem Schaltungsentwurf.

Zum Einsatz kommen Fast Recovery Dioden, somit verursacht der Gleichrichter weniger Störungen und ein Entstör Kondensator am Ausgang des Gleichrichters ist ausreichend.

Die Spannung vor den MOSFET Transistoren sollte bei Nennlast etwa 40V höher sein als die beabsichtigte Ausgangsspannung. Die Spannungsfestigkeit der Filterbank muss aber auch berücksichtigen, dass die Spannungsüberhöhung für den Fall, dass der Ausgang unbelastet ist, insbesondere bei Transformatoren mit hohem Innenwiderstand substantiell sein kann.

Die MOSFET Transistoren haben jeweils eine Strombegrenzungs-Schaltung an ihrer Source. Das ist wichtig, da ein MOSFET auch bei einem kurzzeitigen Schluss leicht seine SOA (Safe Operating Area) verlassen kann, und das in der Zerstörung des Bauteils endet. Der maximale Strom ist mit 300mA eingestellt, somit führt ein länger anhaltender Kurzschluss zum Auslösen der Sicherung (T150mA). Da diese Baugruppe innerhalb des Verstärkergehäuses verbaut wurde befindet sich auf jedem Kühlblech noch ein Bimetall Temperaturschalter, der bei ca. 90 Grad Kühlkörper den MOSFET hochohmig schaltet.

Die Heizspannung der Treiberröhren erfährt in diesem Netzteil eine Anhebung um ca. 33V. Das wirkt sich vorteilhaft auf mögliche Einstreuungen der 50 Hz vom Heizfaden auf die Kathode aus.

Die Abbildung zeigt den Prototyp, der noch 2 getrennte Gate Spannungen erzeugte. Der abgebildete Schaltplan erzeugt diese nur einmal, sie wird dann über R/C Glieder an jeweils beide Ausgangstransistoren verteilt.

Die Endstufe:

Die Endstufe verwendet einen für die 6S33S eher untypischen Ausgangs-Übertrager mit 1,6 kOhm Primärimpedanz. Somit wird der Klirrfaktor bei vertretbarer Leistungs-Einbuße reduziert.

Man darf nicht vergessen, die 6S33S ist eine Längsregel Triode und keine Audio Röhre. Wird sie wie in diesem Fall ohne Gegenkopplung betrieben kann man einen substantiellen Anteil an Harmonischen 2. Ordnung erwarten.

Wie schon eingangs erwähnt kann der Gitter Leckstrom der 6S33S nicht vernachlässigbare Werte annehmen, insbesondere steigt er mit zunehmender Betriebszeit an. Dieser Wert wird im Datenblatt im Bereich von 5uA bei einer neuen Röhre und bis zu 15uA am Ende ihrer Lebensdauer spezifiziert. Darüber hinaus benötigt die Röhre, je nach Datenblatt, 2-10 Minuten Aufheizzeit bis sich ihre Parameter stabilisieren.

Die Schaltung der Gittervorspannung verdient daher besondere Beachtung. Sie wird durch eine Ladungspumpe in Abhängigkeit des Kathodenstroms, der durch einen 140 Ohm Hochlastwiderstand fließt erzeugt. Somit ergibt sich die notwendige Gegenkopplung für die Auto Bias Funktion.

Die Verwendung der Vorspannungserzeugung in Verbindung mit dem Zwischen Übertrager ermöglicht es zudem die Gittervorspannung gleichstrom-mäßig niederohmig (<< 10kOhm) anzubinden und somit mögliches Ansteigen Gitter Emission zu beherrschen. Das gefürchtete „Weglaufen“ des Ruhestroms wird somit verhindert.

Die im Widerstand anfallende Wärme ist um den Anteil der Blindleistungs-Ströme, die in der Ladungspumpe pendeln größer als bei Verwendung eines Kathodenwiderstand. (ca. 30%). Die erzeugte Vorspannung ist direkt abhängig von der Kapazität des ersten Glättungskondensators nach dem Vollweg-Gleichrichter (47uF). Um die Toleranzen auszugleichen wurde ein einstellbarer Widerstand vorgesehen.

Die Einstellung des Ruhestroms der einzelnen Röhren wird dann über das Potentiometer am Ausgang der Vorspannungs-Erzeugung über kleine Bohrungen der Deck-Platte vorgenommen.

Die Ankoppelung der Anodenspannung der Endstufe an das Netzteil ist bedingt durch den 140 Ohm Widerstand aber recht hochohmig, so dass der 2. Kondensator der Siebkette über eine entsprechend hohe Kapazität verfügen muss.

Anodenspannungen und Heizspannungen werden von zwei getrennten Transformatoren geliefert. Die Wicklungen sind für den jeweiligen Kanal galvanisch getrennt ausgeführt. Die Transformatoren wurden individuell für dieses Projekt angefertigt und sind großzügig dimensioniert. Damit wird der starken Blindleistung Rechnung getragen, die durch die Rückladung der Glättungskondensatoren entsteht. Mechanische Vibrationen, die ins Gehäuse einkoppeln können werden ebenfalls minimiert.

Der Anoden Transformator stellt zwei Abgriffe mit gestaffelter Spannung zur Verfügung. Somit kann der Verstärker zur Schonung der Endröhren auf einer reduzierten Leistung betrieben werden.

Diese Einstellung HIGH/LOW, wie auch das Vorheizen der Röhren wird über einen kundenspezifisch konfigurierten Schalter der Firma Kraus & Naimer manuell an der Gerätevorderseite vorgenommen.

Der Heizungs-Transformator hätte noch eine 14V Wicklung für eventuelle Steuerschaltungen vorgesehen, diese blieb aber ungenutzt.

Vom „Breadboard“:

Zur fertigen Komponente der Endstufe (pro Kanal). Die Anschlüsse zu den externen Komponenten erfolgt über geschraubte Ring-Terminals.

Und der endgültigen Anordnung der Baugruppen auf der Unterseite der Deckplatte.

In der Mitte oben das Netzteil der Vorstufe, unterhalb davon die Vorstufe selbst. Rechts und links die jeweiligen Endstufen. Die Platinen der Endstufen Netzteile wurden so entworfen, dass sie spiegelverkehrt bestückt werden können.

Der Aufbau basiert auf Modulen/Baugruppen. Die Endmontage Verdrahtung erfolgt ausschließlich über geschraubte Verbindungen.

Noch ein Wort zur Vorbehandlung der 6S33S vor der Installation:

Es gibt zwei Besonderheiten zu beachten. Zum einen sind die Sockelstifte nicht aus reinem Metall, sondern bestehen aus einer amorphen Legierung (metallisches Glas). Sie sind somit sehr hart und dürfen auf keinen Fall gebogen werden. Beobachtet man auf der Oberfläche einen weißen pulverartigen Niederschlag, so ist dieser vollständig zu entfernen, da er isolierend wirkt. Ich habe mit einem Glasfaserpinsel dabei gute Erfahrungen gesammelt.

Zum anderen kann ich aus eigener Erfahrung sagen, dass diese Röhre nach den Jahrzehnten der Lagerung und vor der Inbetriebnahme im Verstärker thermisch behandelt werden sollte (Burn In). Hier geht es nicht ums „goldene Ohr“ sondern darum, dass die Röhre die im Datenblatt angegebenen Parameter hinreichend erfüllt. Es gibt rein thermische Verfahren (z.B Wärmekammer) oder den Betrieb der Heizung mit kontrolliert reduziertem Anodenstrom. Es geht hier darum dem „Getter“ die Möglichkeit zu geben Restmoleküle zu „fangen“ und das Vakuum zu perfektionieren. Der Betrieb mit voller Anodenleistung wäre hier kontraproduktiv, da es vermehrt zur Ionisation einzelner Moleküle kommen würde.

Das Ganze ist keine Hexerei, aber man sollte sich gut informieren wie man das man macht. Bereits eingebrannte Exemplare zu kaufen ist eine elegante Lösung, aber nur von Lieferanten denen man absolutes Vertrauen entgegenbringt.

Das Schaltbild des Vorverstärkers und des Endverstärkers:

Das Gehäuse:

Nach Fertigstellung des schaltungstechnischen Entwurfs bestand nun die Aufgabe ein Gehäuse herzustellen, das etwas mehr als 30 Kg sicher auf der Ober-Platte tragen kann, optisch akzeptabel ist und eine gewisse Transportfähigkeit bietet.

Das Gehäuse besteht aus 2024T351, bekannt auch als Dural. Einem Werkstoff, der hauptsächlich im Flugzeugbau verwendet wird.

Zunächst erfolgte die CAD 3D Konstruktion mittels Autodesk Fusion 360.

Dann ging es auf die CAD-Fräse:

Es folgte die Probemontage und die Montage der Einnietmuttern:

Gefolgt von Endmontage und Verkabelung:

Als Kabel wurden Teflon-Kabel aus dem Flugzeugbau verwendet, da sie mechanisch stabil, temperaturfest sind und keiner relevanten Alterung unterliegen.

Und hier ist das fertige Projekt (mit und ohne Abdeckhaube):

Die Stunde der Wahrheit, die abschließende messtechnische Beurteilung:

Zunächst erfolgte die Beurteilung der Ausgangsleistung.

Der Verstärker erreicht bei voller Versorgungsspannung (HIGH)die Vorgaben an die Eingangs Empfindlichkeit und liefert etwa 3,5W an 8Ohm bei einem Eingangspegel von 775mV(rms). Bei 1200mV(rms) werden 9W erreicht. Unter reduzierter Spannung (LOW) werden 7,5W gemessen

Das Signal/Rauschverhältnis beträgt -70dB in Referenz zu 1W Ausgangsleistung (0,85mV rms). Der Verstärker ist Kopfhörer tauglich. Aufgrund der voneinander unabhängigen Netzteil Topologie ist kein relevantes Übersprechen zwischen den Kanälen messbar.

Der Frequenzgang:

Die Resonanzstelle bei ca. 30 kHz wird vom Zwischenübertrager verursacht und ist typisch für Übersetzungen über 1:1. Die graue Kurve stellt den Frequenzgang ohne Verwendung des Zwischenübertragers bei RC-Koppelung zu Vergleichszwecken dar.

Nun zum Klirrfaktor:

Es klirrt schon, aber das ist es ja auch was man von so einem nicht gegengekoppelten 6S33S Verstärker erwartet. Der Klirrfaktor ist über den gesamten Hörbereich dominant k2. Der gegenüber dem 1kHz Wert geringe Anstieg bei den Bass Frequenzen zeigt die hohe Qualität und die Leistungsreserve des AÜ´s . Der leicht überproportionale Anstieg im Bassbereich bei der 0,01W Kurve ist durch die Verwendung des Zwischenübertragers bedingt.

Die Rechteckantworten bei 100 Hz/1 kHz/ 10kHz.

Die im Uhrzeigersinn geneigten Plateaus der 100Hz Messung zeigen die übliche Dämpfung im Bassbereich.

Das leichte „Klingeln“, das am deutlichsten am 1 kHz Signal zu sehen ist zeugt von schnellen Anstiegsraten und ist ein Garant für guten Klang.

Die 10kHz Messung ist typisch für einen Verstärker mit Ausgangs- und Zwischenübertrager. Die 30kHz Resonanzstelle, die im Frequenzgang zu sehen ist wirkt sich u.a. hier aus.

Alle Bilder zeigen vollständige Symmetrie. Der Durchlauf durch Zwischenübertrager und Ausgangsübertrager hinterlässt seine Spuren, aber insgesamt ist das sehr ansehnlich.

Die Leistungsaufnahme aus dem Netz:

Beträgt in Stellung HIGH 320W, in LOW 280W.

Abschließende Betrachtung:

Zunächst muss gesagt werden, dass der mechanische Aufbau einen wesentlichen Teil der Herausforderungen bei diesem Projekt dargestellt hat. Das Gewicht würde diesen Verstärker fast zu einer „Immobilie“ machen, wenn das Gehäuse keine Tragegriffe hätte. Aber man wächst ja bekanntlich an seinen Aufgaben.

Und jetzt: Klingt er gut? Naja, das muss er ja bei dem ganzen Aufwand und den Kosten! Aber im Ernst, ja er klingt gut.

Allerdings halte ich nichts von den üblichen „Weinverkostungen“ bei diesem Thema. Wenn ich auch inzwischen gelernt habe, dass man nicht alles was wir mittels unserem physiologisch System Ohr-Gehirn wahrnehmen determiniert messen kann, so muss eine Schaltung doch grundsätzlich erst einmal messtechnisch bewertet werden. Und diesen Test hat der 633S Verstärker mit Bravour bestanden.

Der Verstärker ist bei mir an Klipsch RF7 (98dB/W/m) Lautsprechern angeschlossen und diese sind mittels einem Wahlschalter alternativ mit einem PARASOUND HCA-1500 verbunden.

Der 6S33S passt offensichtlich auch zu diesen Lautsprechern, das ist bei Röhrenverstärkern ohne Gegenkopplung ein wichtiger Punkt. Die Ursache hierfür liegt in der meist geringen Dämpfung.

Nun, ist es sonderlich fair einen 9W Röhrenverstärker mit einem 205W Gleichstrom gekoppleten Boliden aus der Hand des Meisters John Curl zu vergleichen, der bis über 20W in reiner Class A läuft und zur Referenz gehört?

Ja und nein.

Beim Subsonic Donner von „Blackhawk down“ würde der Röhrenverstärker keinem Vergleich standhalten. Auch wenn man 17 Lenze zählt und mal sehen will ob man das Elternhaus akustisch zum Einsturz bringen kann, ist kein Land in Sicht. Aber bei vernünftiger bis gehobener Lautstärke und Musik, die das das Spektrum klassischer mechanischer Instrumente, sowohl auch insbesondere menschlicher Stimmen enthält herrscht praktisch Gleichstand. Bedingt durch die Zumischung der Harmonischen zeigt sich etwas mehr Präsenz für unser menschliches Ohr.

Und das ist eine Leistung für 70-90 Jahre alte Technik, die mit einer Handvoll Bauteilen auskommt.

Das Wort Präsenz trifft es übrigens ziemlich gut, denn man kann diese Präsenz recht gut mit dem Mitten-Klangregler eliminieren, nimmt man diesen ca. 3dB zurück. Daher ist dieser Effekt tatsächlich nachvollziehbar, wenn auch über den Frequenzgang nicht messbar. Er entsteht in unserem menschlichen Hörapparat (Ohr – Gehirn), und ist physiologisch in der medizinischen Literatur auch beschrieben.

Lohnt es sich ?

Das muss jeder für sich selbst beantworten. Warum trage ich eine mechanische Automatik Uhr, die recht teuer ist und von jeder billigen Digital Uhr in Punkto Präzision getoppt wird?

Warum essen wir Camembert, wo doch Sauerrahm ähnlich viel Kalorien liefern kann?

Die Antwort ist, dass es dem Menschen einen Heidenspaß macht mit seiner Kreativität und seinen Sinnen zu spielen.

Mir hat es Spass gemacht und ich bereue nichts!

Liste relevanter Bauteile mit Hinweisen auf mögliche Bezugsquellen:

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