Modifikationen für den Röhren-Preamp Vol. 2

In Teil 4 unserer Serie geht es um eine alternative Triodenschaltung und weitere funktionale Ergänzungen unseres Röhren-Vorverstärkers.

Die bisherigen Teile dieser Artikelserie waren dem Aufbau eines zweikanaligen Mikrofon-Preamps gewidmet. In der letzten Folge wurden bereits einige Erweiterungen aufgezeigt, die wir hier nun abschließend um einige weitere Optionen ergänzen.

Triode versus Pentode

Bereits in unserem eher theoretisch angehauchten Grundlagenartikel (SOUND & RECORDING 4.2009), der einigen Lesern „sehr informativ und tiefgehend, fast schon zu wissenschaftlich” erschienen ist, war auf die Eigenheiten von Trioden- bzw. Pentodenröhren eingegangen worden. Zusammengefasst können Pentoden prinzipiell durch die zusätzlichen beiden Gitter über einen größeren Arbeits bereich linear arbeiten. Dennoch muss man zur Kenntnis nehmen, dass die über – wiegende Mehrheit von Vorverstärkerstufen in Triodentechnik aufgebaut ist. Die meisten Leser werden die amerikanische 12AX7 als weit verbreitete Doppeltriode kennen. Deren europäisches Pendant ist die ECC83, von der es eine halbwegs vergleichbare Version in Niedervolttechnik gibt. Diese ECC86 arbeitet mit einem einzigen Heizelement für beide Trioden (6,3 V Heizspannung) und mit Anodenspannungen bis 30 Volt. Sie ist nicht mehr so gut zu bekommen wie beispielsweise die EF98, aber für etwas mehr als zehn Euro sollte ein Exemplar aufzutreiben sein.

Die Grundschaltung einer Trioden-Verstärkerstufe in Kathodenschaltung lässt sich ohne weiteres in unseren DIY-Preamp integrieren. In unserem Mustergerät (siehe SOUND & RECORDING 5.2009) ist sowohl eine Pentodenschaltung (EF98) als auch eine Triodenschaltung (1/2 ECC86) vorhanden, die beiden Varianten werden sowohl eingangs- als auch ausgangsseitig mit einem zweipoligen Umschalter (realisiert durch ein Relais) alternativ in den Signalweg geschaltet. Ein Abgleich auf identische Verstärkung beider Stufen kann durch leichte Variation des Anodenwiderstands vorgenommen werden. Bei der von uns verwendeten ECC86 von Valvo lag die Spannungsverstärkung bei 24 V Anodenspannung und einem Arbeitswiderstand von 15 Kiloohm bei 21 dB und war damit fast gleich der Verstärkung der Pentode (es gibt bei Röhren Exemplarstreuungen und auch Alterung!).

Möchte man den Verstärker ausschließlich mit Trioden aufbauen, kann man die Röhrenstufe rund um die EF98 in unserer Grundschaltung (Ausgabe 5.2009) einfach durch die hier in Abbildung 1 gezeigte Triodenstufe ersetzen. Ausgetauscht wird alles zwischen den eingangs- bzw. ausgangsseitigen Koppelkondensatoren.

Eine „Entscheidungshilfe” in der Frage: Pentode oder Triode? könnten die Messergebnisse der Abbildungen 2 bis 5 sein. Beim Frequenzgang gibt es kaum Differenzen, aber bei dem Klirrverhalten erwartet man deutlichere Unterschiede. Bei unserem Mustergerät sind die Unterschiede allerdings weniger gravierend ausgefallen. Sowohl die Kurven der Klirrdämpfung in Abhängigkeit vom Pegel als auch die Klirrspektren bei einem bestimmten Pegel und einer bestimmten Signalfrequenz zeigen kein dramatisch anderes Verhalten der unterschiedlichen Röhrentypen. Die Triode misst sich sogar etwas klirrärmer als die Pentode, was ein wenig überrascht. Eine mögliche Erklärung wäre die speziell eingestellte Gegenkopplung der Pentode.

Mehr Gain: Ein zweistufiger Verstärker

Für sehr unempfindliche Mikrofone, aber vor allem für die Aufnahme von sehr leisen Signalen benötigt man zuweilen etwas mehr Gain-Reserven, als unser einstufiger Preamp liefert. Zwar reichen die 50 dB Verstärkung unseres Verstärkers im Studio und beim Gebrauch von Kondensatormikrofonen aus, aber man weiß ja nie … Mit einer Triode und einer Pentode, die in Serie verschaltet sind, kommen etliche Mikrofonvorstufen bekannter Provenienz daher. Wir haben nur beispielhaft eine Schaltung in Abbildung 6 vorzustellen, die allerdings in Hochvolttechnik realisiert ist. Hier gibt es als elegante Lösung die Röhre ECL86, die in einem Glaskolben eine Triode und eine Pentode vereint. In unserem Fall kann ein zweistufiger Verstärker aber einfach aus der Hintereinanderschaltung zweier gleicher oder ungleicher Röhrenstufen aufgebaut werden. Dabei ist die Erfahrung bzw. Merkregel nützlich, dass immer die erste Verstärkerstufe für die Rauschperformance maßgeblich ist. Jede weitere Stufe verstärkt sowohl Signal als auch Rauschen der Eingangsstufe und sollte im Normalfall fast gar nicht mehr zum Gesamtrauschen beitragen. Zur Erinnerung sei noch einmal erwähnt, dass die Schaltung mit einer EF98-Pentode ungefähr 20 dB Verstärkung macht, die durch eine Gegenkopplung vermindert werden kann. Natürlich ist es auch möglich, zwischen Verstärkerstufen passive Absenkungen durch ein Pegelpoti vorzunehmen, um Übersteuerungen zu vermeiden und das erwähnte Rauschen der Eingangsröhre ebenfalls abzusenken. Im „K2”-Amp der FH Düsseldorf (siehe unsere Ausgabe 3.2009) wurde so vorgegangen, dass mit einem Schalter die Anzahl aktiver Verstärkerstufen ausgewählt werden kann.

Die Rechnung für die maximale Verstärkung eines zweistufigen Amps lautet: 24 dB (Eingangsübertrager) plus 20 dB (erste Röhre) plus 20 dB (zweite Röhre) plus 6 dB (Ausgangssymmetrierer) gleich 70 dB Gain. Das sollte sogar für sehr unempfindliche Bändchenmikrofone ausreichen.

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Materialliste für eine Aussteuerungsanzeige

(2 Kanäle, „Signal“ und „Peak“)

2 × TL062 2 × IC-Fassung 8-polig

2 × Widerstand 10 Ohm

2 × Elko 100 μF / 16 V (35 V)

2 × Widerstand 47k

2 × Widerstand 3k3

2 × Widerstand 100 Ohm

4 × Diode 1N4148

4 × Widerstand 51 Ohm

4 × Elko 10 μF / 16 V

4 × Widerstand 4k7

2 × LED 3 mm, 2 mA, grün

2 × LED 3 mm, 2 mA, rot

4 × Montageclip für LED 3 mm Lochrasterplatine

Kabelklemmen: 2 × 2-polig, 1 × 3-polig

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Metering

Bei einem Röhrenverstärker ist die Auslegung eines Aussteuerungsmessers eine andere Sache als bei halbleiterbasierten Amps oder gar Digitalgeräten. Wir hatten im Messtechnik-Teil gesehen, dass die röhrentypischen nichtlinearen Verzerrungen über einen sehr großen Pegelbereich nach und nach immer mehr zunehmen. Es gibt demnach also gar keine „Nennaussteuerung” oder einen „0-dB-Punkt”, sondern es kommt auf die jeweilige Aufnahme an, wie „heiß” man den Amp jetzt fahren will. Beispielweise kann man bei Schlagzeug-Mikrofonierungen gern etwas mehr in die Sättigung fahren als bei einer Gesangsaufnahme. Es gibt ja sogar Geräte auf dem Markt, die abschaltbare Pegelanzeigen haben, damit man diese ignorieren kann. Es wird also hier nicht darum gehen, präzise Anzeigen über einen großen Dynamikbereich zu liefern, sondern es ist eher ein „Schätzeisen” zur Aussteuerungskontrolle gefragt.

Die einfachste und zugleich optisch sehr ansprechende Lösung ist die Ansteuerung eines Drehspulinstruments als VU-Meter: Mit einem Brückengleichrichter aus vier Schottky-Dioden (z. B. Typ BAT41 oder BAT43) und eventuell einem Reihenwiderstand lässt sich unter Umständen schon das gewünschte Instrument realisieren. Man muss etwas suchen, kann aber bei den einschlägigen Lieferanten schöne Vintage-Style-Meter erstehen (das auf dem Foto gezeigte Instrument kommt von Tube-Town). Die Schottky-Dioden zieht man normalen Dioden vor, da sie schon ab einer deutlich niedrigeren Schwellenspannung leitend werden. Eine etwas „professionellere” Ansteuerung eines VU-Meters zeigt Abbildung 7, wo ein aktiver Zweiwegegleichrichter zum Einsatz kommt. Vorteile sind die wegfallende Schwellspannung und der hohe Eingangswiderstand. Der Wert des Kondensators C und die Einstellung des Trimmpotis hängen von der Empfindlichkeit des verwendeten Drehspulinstruments ab. Man sollte stets kontrollieren, ob der Anschluss von Metering-Schaltungen Störungen auf das Audiosignal nach sich zieht. Es kann passieren, dass bei hohem Pegel plötzlich große Ströme fließen, welche die (gemeinsame) Versorgungsspannung schlagartig absacken lassen. Dann hilft oft, die Metering-Schaltung über einen Widerstand von z. B. 10 Ohm abzukoppeln.

Wir haben noch eine weitere Variante anzubieten, die in unserem Mustergerät eingebaut wurde und sowohl abgespeckt als auch aufgebohrt werden kann. Es handelt sich um eine zweistufige Anzeige mit LEDs für „Signal” und für „Peak”, beides nicht ganz wörtlich zu nehmen. Hier ist das Prinzip, dass ein Operationsverstärker den Unterschied zwischen einer konstanten Spannung und dem Audiosignal verstärkt. Die konstante Spannung wird über einen Spannungsteiler aus der Versorgungsspannung abgeleitet (hier 30 mV und 1 Volt). Da die Operationsverstärker eine hohe Eigenverstärkung haben, geht der Ausgang auf +15 Volt, sobald das Signal diesen Wert überschreitet. Dann wird über einen strombegrenzenden Widerstand und eine Schottky-Diode ein Kondensator aufgeladen, der sich über eine LED wieder entlädt, wenn eine Signalspitze vorbei ist. Die Schaltung ist in dieser Form praktisch bewährt, es wurden wie überall im Gerät LEDs mit einem Nennstrom von nur 2 mA (erhältlich bei Reichelt) eingebaut. In unserer Schaltung haben wir eine Signalgleichrichtung weggespart, sodass nur positive Halbwellen die Anzeige auslösen. Natürlich lässt sich auch der in Abbildung 7 gezeigte Op-Amp-Gleichrichter vorschalten, wenn man etwas pingeliger ist. Der Eingang dieser Schaltung wurde im Mustergerät an den „Plus”-Pin des symmetrischen Ausgangs angeschlossen.

Man kann diese Schaltung variieren, indem man mehr oder weniger Leuchtdioden ansteuert. Im einfachsten Fall erhält man mit nur einer LED pro Kanal eine reine „Peak”-Anzeige, wenn man eine genauere Pegelanzeige wünscht, kann man einfach mehr Komparatorstufen verwenden und muss dementsprechend ein Spannungsteilernetzwerk mit mehreren Abgriffen aufbauen.

Phasenumschalter

Ob man einen Phasenumschalter, der das Signal invertiert, braucht oder nicht, ist etwas Geschmackssache und von der individuellen Arbeitsweise abhängig. Schließlich wird meistens das Mikrofonsignal, das durch unseren Amp läuft, früher oder später in einer Audiosoftware landen, wo es dann auch einen Phasenumschalter in der Audiospur gibt. Eine sehr einfache Realisierung für die Umschaltung der Signalpolarität kann mit einem „zweipoligen Umschalter” am Ausgang des Amps erreicht werden. Abbildung 9 zeigt, wie dieser Schalter verdrahtet wird: Ein zweiadrig abgeschirmtes Kabel kommt vom Ausgang des Verstärkers und wird wie gezeigt angeschlossen, die mittleren Pins führen wiederum über ein zweiadrig abgeschirmtes Kabel zur Ausgangsbuchse (beide Abschirmungen unabhängig vom Schalter verbinden). Die grau gezeichneten, isolierten Kabelbrücken (Pins 1 mit 6 und 2 mit 5) sorgen für die Umpolung des Signals beim Umlegen des Schalters. Unser Foto des Schalters zeigt, wie das Ganze am Ende aussehen kann. Sofern keine Gleichspannung auf dem Ausgangssignal liegt, arbeitet diese Umschaltung knackfrei. In der Praxis hat dieses simple Konzept bisher einwandfrei funktioniert.

Stromquelle für die Röhrenheizung

Bei der Röhrenheizung gibt es möglicherweise auch noch Spielraum für Perfektionisten. In unserem Grundkonzept wurden die Heizfäden aller Röhren in Reihe geschaltet, was bei einer 24-V-Versorgungsspannung bei bis zu vier Röhren funktioniert. Man hofft dann, dass jede Röhre eine gleiche Heizspannung von 6 Volt erhält. Für jede Röhre, die zur Zahl vier fehlt, wurde ein 22-Ohm/ 2-W-Widerstand in Reihe verschaltet; beim Mustergerät funktioniert das auch einwandfrei. Von einer Parallelschaltung der Heizelemente wurde Abstand genommen, um Strom zu sparen. Unser Mustergerät mit drei Röhren arbeitet komplett an einem kleinen 24-V/300-mA-Steckernetzteil (siehe Teil 2). Eine optimale Verstärkung bei maximaler Haltbarkeit der Röhre ergibt sich bei genau eingehaltenem Heizstrom (bei unseren Röhren 300 mA). Historisch ist ja die Heizspannung auf 6,3 Volt (oder auch 12,6 Volt) festgelegt worden, was gängigen Bleibatteriespannungen entspricht.

Um nun einen gleichbleibend optimalen Arbeitspunkt hinsichtlich der Röhrenheizung zu gewährleisten, kann statt der Widerstände, die die überschüssige Spannung in Verlustwärme umwandeln, eine Konstantstromquelle verwendet werden. An dieser Stelle sei auf einschlägige Schaltungstechnikbücher verwiesen, eine Stromquelle lässt sich mit einem Transistor oder FET und wenigen Bauteilen aufbauen. Ein möglicher Vorteil besteht dann auch in der Alterungsbeständigkeit dieses Konzepts, wenn die Röhren etwas nachlassen.

Showdown

Mit diesem Teil endet die Artikelserie zum Selbstbau eines Röhrenverstärkers. Wir hoffen, genügend Anregungen gegeben zu haben, wie man mit eigener Phantasie und Experimentierfreude zu einem individuellen hochwertigen Gerät kommen kann. Wir freuen uns natürlich über alle Fotos und Erfahrungsberichte zu diesem Projekt!