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Williamson Tube Amp - by Photo but More

Hallo und herzlich Willkommen auf Photo but More beim Williamson - Verstärker!

Der im Jahr 1947 von D. Williamson entwickelte Röhrenverstärker ist der erste echte HiFi-Verstärker der Geschichte. Sein Aufbau ist vierstufig - Eingangsstufe, Phasenumkehr, Treiberstufe, Endstufe. Die Urversion arbeitete in den ersten Stufen mit zwei einzelnen Trioden 6J5, später mit einer Doppeltriode 6SN7 und in der Endstufe mit 2 als Trioden geschalteten Tetroden KT66 im Gegentaktbetrieb und leistete so wohl um die 30 Watt.

Viele nachfolgende HiFi Röhrenverstärker, z.B. die legendären LEAK Endverstärker (die das Konzept um eine Ultralinearschaltung ergänzten) basieren auf dieser Schaltung. Wer originalgetreu nachbauen will, wird manche Bauteile, wie den Übertrager, wohl kaum ohne größere Probleme beschaffen können. Auch lassen sich die ursprünglichen Röhren durch heute noch leicht erhältliche Typen, wie ECC82/83 und EL34 ohne Einbusse des typisch britischen Röhrenklanges ersetzen.

Williamson Schaltung
Zur Schaltung
Die Eingangs- und Phasenumkehrstufe verwendet klassische Doppeltrioden 6SN7, dem Vorgänger der ECC83. Die erste Stufe arbeitet mit einem nichtentkoppelten Kathodenwiderstand in Stromgegenkopplung. Dadurch bleiben die Verzerrungen gering, die geringere Verstärkung wird durch eine nachgeschaltete Treiberstufe ausgeglichen. Bei einem Stereoverstärker sollten identische Eingangsröhren verwendet werden. Die Phasenumkehrstufe verstärkt - wie üblich - nicht; sie ist durch den hohen Kathodenwiderstand vollständig gegengekoppelt. Ein Kompensationsnetzwerk (R26/C10) gleicht letzte Übernahmeverzerrungen hoher Frequenzen aus. Der Wert von C10 ist abhängig vom Ausgangsübertrager und dem Grad der gewählten Gegenkopplung. Wird die Gegenkopplung über R25 verändert, entstehen hier u.U. zusätzliche Verzerrungen, die jedoch (in gewissen Grenzen) einem „besseren“ Röhrenklang zugute kommen!

Die Treiberstufe verwendet die gleichen Röhren wie die Vorstufe. Ein kleinerer Anodenwiderstand (R11) macht den Verstärker „schneller“. Die direkte Kopplung der Anode der Eingangsstufe mit dem Gitter der 2. Stufe war eine der wichtigsten Neuerungen der Williamson’schen Schaltung.

Die Endstufe arbeitet in Gegentaktschaltung durchgängig im A-Betrieb. In dieser Schaltung werden gut und (noch) preiswert erhältliche EL34 verwendet, die bei 24V Eingangsspannung Vollaussteuerung erreichen und dann etwa 12-15 Watt (im A-Betrieb!) produzieren. Durch den A-Betrieb lässt sich der Verstärker übersteuern ohne Schaden zu nehmen (mit Ausnahme der eigenen Ohren). Ebenso wie in der Vorstufe sorgt auch hier ein nichtentkoppelter Kathodenwiderstand für geringste Verzerrungen. Eine Gegenkopplung vom Sekundärkreis des Übertrages (auf richtige Polung achten!) verringert den Klirrfaktor auf ein Minimum. Die Gegenkopplung ist in gewissen Grenzen einstellbar - bei zunehmender Verstärkung erhöht sich auch der Klirrfaktor. Höhere Gegenkopplung (Verringerung des Wertes von R25) verbessert zwar den Klirrfaktor und vergrößert den Frequenzbereich, im Stereobetrieb geht dies jedoch zu Lasten einer räumlichen Wiedergabe.
Hinweis: der einstellbare Gegenkopplungsfaktor ist abhängig von der Lautsprecherimpedanz und dem Dämpfungsfaktor des verwendeten Lautsprechers. Hier ist Experimentieren angesagt, Williamson verwendete einen Gegenkopplungsfaktor 10 - optimal im Stereobetrieb sind 4.

Das Netzteil arbeitet - wie die ursprüngliche Version von Williamson - mit einer Gleichrichterröhre in Zweiwege-Gleichrichtung. Der gewählte Typ GZ34 / 5AR4 bringt problemlos die notwendigen Leistungen für die Schaltung. Beim Klasse-A-Betrieb sind die Anforderungen unkritisch. Wesentlicher Vorteil dieser Schaltung - neben der wunderschönen Optik dieser Röhre im Betrieb - ist der langsame Aufbau der Versorgungsspannung. Dadurch erhalten - im Gegensatz zu den leider mehr und mehr verwendeten Halbleiter-Netzteilen - die Vor- und Endröhren erst langsam ihre nötige Spannung. Zwar dauerte dadurch die Inbetriebnahme ein wenig länger, doch kommt dies einer höheren Lebensdauer der hochwertigen Röhren entgegen. Die Betriebsspannung beträgt rund 425 V, an Heizstrom werden ca. 7 A benötigt. Es sind zwei Heizspannungen erforderlich - 5 Volt für die GZ34 und 6,3 Volt für die Vor- und Endröhren. Die Heizspannung wird nicht gleichgerichtet, um ein gleichmäßiges Aufheizen der Röhren zu erreichen. Die Versorgungsspannung wird mittels einer kräftigen Netzdrossel gesiebt, so dass die Siebkondensatoren für die Vorstufen weitgehend unkritisch sind. Der Ladekondensator für die GZ34 darf allerdings maximal 60 uF betragen.

Werte - variieren je nach Röhrenbestückung und gewählter Gegenkopplung
Verstärkerleistung maximal 15 Watt
Klirrverzerrungen etwa 1 %, nehmen bei zunehmender Gegenkopplung ab
Eingangsempfindlichkeit (ohne Gegenkopplung) für max. Ausgangsleistung ca. 220 mV alles Weitere liegt jenseits von Gut und Böse im Bereich des Röhrenhimmels....

Bauteile Stückliste
 
R1 1M1WMF 5%C1Elko 8....50 uF 450 V
R2 33K1WMF 5% C2Elko 8....50 uF 450 V
R3 47K1WMF 5% C3MKP/MKS0,22 uF/450V
R4 470K*1WMF 5% C4MKP/MKS0,22 uF/450V
R5 22K1WMF 1% C5Elko 8....50 uF 450 V
R6 22K1WMF 5% C6MKP/MKS0,22 uF/450V
R7 22K1WMF 1% C7MKP/MKS0,22 uF/450V
R8 470K1WMF 1% C8Elko 8....50 uF 500 V
R9 470K1WMF 1% C9Elko 8....50 uF 500 V
R10 3901WMF 1% C102 % Styroflex*200 pF/630V
R10’3901WMF 1%
R1147K1WMF 1%
R11’47K1WMF 1%
R1347K1WMF 1%  Röhren:
R13’47K1WMF 1%
R14100K3W5%  V1ECC82
R151K1WMF 5% V2ECC82
R161004W5% V3ECC82
R17100 Ohm4WDrahttrimmer  V5EL34
R181004W5% V6EL34
R19100K3W5%  GleichrichterGZ34 / 5AR4
R201K1WMF 5%
R21100 Ohm 4WDrahttrimmer
R221004W5%
R23684W5%
R24684W5%
R2550K1W5%+ Trimmpoti100 KOhmin Reihe
R264K71W1%

Netztrafo: 2x400 V 400mA, 5V, 6,3V 7A
Übertrager: Ra 3,5KOhm 35 - 20 kHz sec. 8 Ohm
Netzdrossel L1: 30Hy 50mA, 0,3 mm Draht
Netzdrossel L2: 10Hy 400 mA
Netzdrosseln gut abschirmen!


Widerstände (mit Ausnahme Kathodenkreis Endröhren) sollten Metallfilmwiderstände üblicher Belastbarkeit in den angegebenen Toleranzen sein. Wenn „antiker“ Röhrensound gewünscht ist, dürfen auch Kohlschichtwiderstände eingesetzt werden (geringfügig schlechteres Rauschverhalten!). Die stabilitätsbestimmenden Werte (1%) müssen dabei aber auch geringe Toleranzen haben oder ausgemessen werden. Die Kathodenwiderstände müssen ausreichend belastbar sein, höhere Werte als in der Tabelle angegeben schaden nicht. Auch robuste Drahtwiderstände sind durchaus geeignet und führen zu keiner Klangverschlechterung. Für die Trimmpotis P17 und P21 gilt Entsprechendes. Falls ein unzureichend belastbarer Endstufenwiderstand ausfällt, führt dies unweigerlich zum sekundenschnellen Abrauchen der zugehörigen Endröhre.... Zur Einstellung der Gegenkopplung ist eine Aufteilung von R25 in einen Festwert von 50 Ohm und ein Trimmpoti 100 KOhm sinnvoll (abgeschirmte Leitung verwenden, weit weg von der Eingangsstufe).

Kondensatoren finden in dieser Schaltung nur sparsam Verwendung. Diese sollten dafür von erstklassiger Qualität sein! Die Werte der Sieb-Elko’s zur Stabilisierung der Anodenspannungen sind unkritisch, die Schaltung ist auch bei den angegebenen Mindestwerten ausreichend stabil. Es dürfen auch höhere Werte eingesetzt werden, wenn diese leichter beschaffbar sind. Ausnahme: der Lade-Elko C9 darf maximal 60 uF haben! Ansonsten muss die GZ34 im Halbjahres-Abonnement beschafft werden... Bester Wert sind 32...50 uF.
Besondere Beachtung verdient der Styroflex-Kondensator im R/C-Glied R26/C10. Der Wert darf zwischen 100....300 pF liegen, je kleiner desto größer sind die Verzerrungen (Klirrfaktor), die jedoch nicht unbedingt eine Klangverschlechterung bedingen. Im Gegenteil - ein hoher Wert bringt zwar einen kleinen Klirr, aber auch einen manchmal als „flach“ empfundenen Klang. Hier entscheidet das Ohr gegen das Messgerät. Entsprechendes gilt für die Einstellung der Gegenkopplung mit R25. Hochfrequenzfanatiker dürfen parallel zu den Elko’s noch MKP-Kondensatoren (10-100 nF/630 V) schalten. Das bringt zwar für die Effektivität des Verstärkers nicht viel, verschafft aber ein gutes Gewissen, alles Denkbare für die Linearität getan zu haben.

Schaltungsaufbau
Die Schaltung ist konventionell aufgebaut, Röhren mögen keine gedruckten Schaltplatinen. Die meisten Bauteile können direkt an die Röhrenfassungen gelötet werden, bei den Widerständen R15 und R20 ist dies sogar zwingend! Röhrenverstärker sind hochohmig, die Tonfrequenzauskoppelungen an den Anoden und Kathoden (zu und von den Koppelkondensatoren) sind empfänglich für Brummeinstrahlungen, deshalb so kurz wie möglich und weit weg von anderen Leitungen führen - ggf. abschirmen (Abschirmung nur an 1 Seite mit Masse verbinden). Für die Masseverbindungen gilt das Übliche - Verstärkermasse getrennt von der Gehäusemasse führen und nur an 1 Stelle verbinden (entweder an der Eingangsbuchse, am Übertrager/Lautsprecherausgang oder Lade-Elko - ggf. ausprobieren). Die Heizungskabel müssen verdrillt werden und möglichst weit weg von anderen Bauteilen geführt werden. Bei Brummstörungen kann eine Wechselspannungsleitung nicht direkt auf Masse, sondern über einen Spannungsteiler auf ca. 40V gelegt werden.

Das Netzteil des Endverstärkers ist weitgehend unkritisch, wenn der Netztrafo ausreichend Strom zu liefern in der Lage ist. Die Spannungswerte im Schaltbild sollten +/- 10 Volt genau eingehalten werden, jedoch in beiden Kanälen gleich sein, der höchste Wert darf auf keinen Fall 450 Volt übersteigen! Beim Arbeiten oder Messen am Gerät besteht aufgrund der hohen Spannungen (und Ströme) Lebensgefahr! Es gilt die alte Elektriker-Regel: eine Hand in die Tasche aber auf keinen Fall an Masse. Die Arbeitsweise der Doppel-Gleichrichterröhre wurde schon in der Einleitung angesprochen. Das Teil erzeugt ganz schön Wärme und sollte im Betrieb tiefdunkelrot glühen. Wird’s heller oder flackert und knistert sie gar, is was kaputt! Dann sofort Ausschalten und Fehler suchen. Wer mag und Zeit und Geld zuviel hat, kann die Spannung der Eingangsröhre auch stabilisieren, dafür entfallen dann R2 und C1. Viel bringt’s nicht, aber es beseitigt das allerletzte Brummen.

Der Abgleich
Der Verzicht auf stabilisierende Kondensatoren an den Kathodenwiderständen bringt zwar mehr Klangqualität, aber auch mehr Aufwand beim Abgleich. Dieser sollte gelegentlich wiederholt werden, insbesondere sind die Arbeitsströme der Endröhren mit 125mA regelmäßig zu kontrollieren. Dafür ist eine Messbrücke vorgesehen, an deren beiden Polen ein Amperemeter angeschlossen wird (die Brücke muss während des Messens natürlich entfernt werden). Hierzu wird P17 zunächst in Mittelstellung gedreht und mit P21 der Anodenstrom auf 125 mA eingestellt. Anschliessend wird der Spannungsabfall über beiden Wicklungen mit P 17 auf gleiche Werte eingestellt. Dieser Vorgang ist abwechselnd ein paar Mal zu wiederholen. Sind die vorstehenden Forderungen beim Abgleich nicht zu erreichen, stimmen die ohmschen Widerstände der Übertrager-Primärwicklungen nicht überein. In diesem Fall muss mit den Widerständen R23/R24 ein Ausgleich geschaffen werden.

Nachtrag und zusammenfassende Bemerkungen
Die von mir zuvor beschriebene Schaltung basiert auf der klassischen Williamson'schen Verstärkerschaltung. Diese wurde vielfach modifiziert und nachgebaut. Ich vermag nicht zu beurteilen, inwieweit meine Schaltungsbeschreibung noch dem Original entspricht bzw. von ihm abweicht. Auch etwaige Übereinstimmungen mit Schaltungen oder Schaltungsentwürfen von Herstellern klassischer oder aktueller Röhrenverstärker habe ich nicht überprüft. Die Schaltung habe ich bislang nur als Versuchsexemplar aufgebaut und als solches beschrieben. Ich gebe keinerlei Gewähr für Funktionssicherheit, Stabilität und dauerhafte Gebrauchsfähigkeit. Ein Nachbau liegt in jedem Falle im Verantwortungsbereich des Nachbauers. In jedem Fall ist zu berücksichtigen, dass mit hohen Spannungen gearbeitet wird, die im Zweifel lebensbedrohende Auswirkungen haben können. Also bitte Vorsicht! Wer mag, kann mir eigene oder andere Erfahrungen zu dieser Schaltung mitteilen.

Herzlichst Ihr Horst Neuhaus



Posted 2008/02/28; last updated 2009/09/27 Copyright © 2000-2015 by Horst Neuhaus



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