Buizenversterkers

813 Single Ended Ultra Linear versterker

Waarom zou iemand in hemelsnaam een versterker met een 813 buis willen maken? is een vraag die je zomaar zou kunnen stellen als je de titel van dit verhaal leest. Het antwoord zou heel kort kunnen zijn: ik vind het gewoon erg leuk om te doen, maar ik ga er voor het verhaal toch wat uitgebreider op in.

Na een aardig aantal jaartjes met 211 monoblokken gespeeld te hebben, ben ik een aantal malen geconfronteerd met de beperkingen van deze versterkers (de lage dempingsfactor) in combinatie met een ongunstige impedantiecurve van verschillende merken en typen luidsprekers die langs zijn gekomen. Er zijn een aantal oplossingsrichtingen zoals terugkoppelen, maar dit gaat weer ten koste van het vermogen en in sommige gevallen van het karakter van de versterker. De andere optie is te kiezen voor bruut vermogen, wat meestal resulteert in de een of andere push-pull versterker. Maar het bouwen van een doorsnee PP-amp is voor mij geen uitdaging meer, ondanks de zeer goede resultaten die daarmee te behalen zijn.

De allereerste buizenversterker die ik in 1999 met veel ondersteuning van TriodeDick gebouwd heb was een KT88PP versterker, maar ben in de jaren daarna overgestapt naar TD's bekende DHT versterkers zoals de verschillende uitvoeringen van de 300B en de 211 Goliath. Mijn meest optimale keuze zou dus een direct verhitte buis zijn met de prestatiecurve van een penthode, maar dan meer... veel meer vermogen.

Eind 2006 werd mijn aandacht getrokken door een zelfbouwproject van Pete Millet, die de bouw van een 813 amp beschreef en na wat overpeinzingen heb ik besloten dat dit de buis moest worden als ik weer aan een nieuw project zou gaan beginnen. Het moest in elk geval een andere setup worden dan die van Pete Millet.... iets soortgelijks, maar dan beter. Omdat ik meteen flink wilde uitpakken, had ik in beginsel het idee om een 813PP te bouwen en heb daarover vele mailwisselingen gevoerd met TD. De 813 is in principe makkelijk aanstuurbaar, maar het heeft toch wat voeten in de aarde om deze buis in PP te schakelen. Zo is er al minimaal een voltage swing van 160V nodig om de boel aan de gang te krijgen en de benodigde ijzerwaren overtreffen je stoutste verwachtingen.

Reken maar mee: Per monoblok 2x 10V/5A gloeispanning wat bij gelijkrichting neerkomt op 14A (140W) en de vereiste hoogspanning 2x 900V/100mA (180W) De PP uitgangstrafo wordt in dat geval ook buiten de normale proporties... de trafo moet secundair tussen de 80 en 120W in klasse AB1 kunnen leveren. Aan ijzerwaren betekent dit per monoblok 2 PSU trafo's (EI-120) een UGT (EI-150) 2 chokes en 2 1:1 interstages. Al met al veel te veel van het goede en ondoenlijk om het in een vriendelijk ogende behuizing te plaatsen. Beter een stapje terug dus...

Ik heb daarom besloten om voor een 813 Single Ended Ultra Lineair setup te gaan waarbij (afhankelijk van de instelling en hardware) een uitgangsvermogen van 40 á 60 Watt in klasse A1 mogelijk moet zijn. Ik ga in principe voor een mu-stage voortrap met een 6H30 en een D3a als stroombron.

Oorspronkelijk schema (ongetest)

Het schema van het oorspronkelijk idee (de 813PP) vind je hier. Voordat ik aan de bouwbeschrijving begin wil ik eerst even kwijt dat dit project mogelijk is geworden door de hulp en ondersteuning van TriodeDick die mij sinds 1999 met raad en daad terzijde staat bij mijn hersenspinsels en over de jaren heen van mentor tot goede vriend is geworden. Tevens ben ik erg veel dank verschuldigd aan Hans, die een tovenaar is op het gebied van metaalbewerking en die in hoge mate heeft bijgedragen aan het verwezenlijken van het uiterlijk van deze versterkers. Ook Hans is een goede vriend geworden nadat hij een jaar of 3 geleden voor het eerst langskwam om eens naar de prestaties van de Cleo en de Goliaths te luisteren. Hij kwam, luisterde en was meteen verkocht. De Cleo en Goliaths die hij heeft gebouwd zijn qua uiterlijk een voorbeeld geweest voor deze versterkers. Ik heb nooit eerder een set gezien die er mooier uitziet als die van Hans en ben altijd een beetje jaloers geweest. Toen hij aanbood om mij te helpen bij het ijzerwerk was ik erg blij, maar was ook een beetje beschaamd, wetende hoeveel werk hij daarvoor moest verzetten. En zelfs dat bleek een understatement. Het hoe en wat kom je hieronder vanzelf tegen.

De onderdelen

De verzamelde onderdelen (minus buizen, trafo's en chassis): In principe zijn het de doorsnee onderdelen voor een mu-stage versterker, met uitzonder van de hoeveelheid voedingscondensatoren, waarbij er in de voeding steeds 3 in serie worden gezet vanwege de hoge voltages. In dit geval waren 2 condensatoren van 500V misschien wel voldoende geweest voor de gebruikte 900V, maar het is mij net wat te krap van het goede. Zo'n 20 á 25% marge vind ik altijd wel fijn.

Hier staan de trafo's voor de beide monoblokken op een rijtje. Vele, vele kilo's ijzer die samen goed zijn voor een flinke hernia:

2x chokes 5H, 2x chokes 10H, 2x gloeitrafo's EI-96, 2x voedingstrafo's EI-120 en tot slot 2x EI-150 uitgangstrafo's en niet te vergeten de 813 buis. De 813 Beam Power Tube was erg populair bij radio amateurs na de 2e wereldoorlog. De buis bleef in gebruik totdat de Single Side Band (SSB) populair werd eind jaren 50, begin jaren 60 van de vorige eeuw. De aanwezige grafiet anode met een CCAS dissipatie ratio van 125Watt zorgde ervoor dat de buis erg economisch kon worden ingezet. Een paar van deze buizen voldeed aan de juridische limiet van 1KW input voor CW of AM. Later gemaakte buizen door RCA en Amperex zijn voorzien van zirconium gecoate nikkel anodes.De 813 is in 1938 geïntroduceerd door RCA en was uitgerust met een thoriated tungsten filament.De 813 kwam vlak na de bekende 6L6 op de markt, de eerste vermogensbuis die gebruik maakte van het electron beam principe.

De 813 datasheet vind je hier

Het voorwerk...

Hier begint het eerste echte werk. Hans heeft de 2mm dikke RVS platen op maat geknipt en voorzien van brede stroken witte tape en heeft daar aftekenlak overheen gespoten. Mislukt het aftekenen of zit er iets fout, dan veeg je de inkt er (deels) af en spuit er een nieuwe laag op.De aftekenlak over de witte tape op de chassisplaten, voor het nauwkeurig afmeten van de te boren gaten:

Met RVS chassisplaten gaat het allemaal niet zo makkelijk als met aluminium of koper. Boren met een boorstandaard gaat nog wel, maar ponsen met trekponsen kun je wel vergeten. Hieronder de ponsenset en de bijbehorende hydraulische tang zoals die door Hans gebruikt is:

En zo zien de RVS-platen eruit na veel boren en ponsen. Als je ze zo ziet liggen lijkt het geen goed plan om RVS als chassisplaat te nemen, maar er komt meer......

In de tussentijd dat Hans bezig was met de chassisplaten, ben ik aan de gang gegaan met het onderchassis. Het chassis is in beginsel een aluminium chassis van AE/Blaauw waar een RVS-plaat bovenop komt. Het chassis zelf wordt zwart. In feite worden alle liggende vlakken RVS en de staande vlakken zwart. Zoals je hieronder kunt zien ben ik begonnen met het provisorisch buigen van aluminium plaatjes voor het binnenchassis. Omdat ik onvoldoende montage oppervlakte heb in het aluminium chassis en daar absoluut geen gaten in wil boren, ben ik binnenchassis gaan maken. Hieronder een gemonteerd binnenchassis voor het pas en meetwerk en aan de rechterkant een chassis in een verder stadium, met condensatorklemmen en chokes gemonteerd. Er komt nog veel meer aan te hangen..... Wees je er wel van bewust dat je met een binnenchassis te maken krijgt met allerlei onvoorziene zaken zoals de draadeinden met moeren die door de bovenplaat heenkomen en waarvoor uitsparingen gemaakt moeten worden in de omslagranden van de buiten(zij)panelen en dus ook in de wanden van het binnenchassis. Denk heel goed na over de plaatsen waar kabels doorheen moeten lopen en schroom niet om ergens een gat teveel te maken.... Je moet er niet aan denken dat je bij het afbouwen geconfronteerd wordt met een onvoorziene kabeldoorvoer..... 

De onbehandelde RVS-platen zijn door Hans gepolijst. Het plantsoen voor zijn huis en dat van de buren was bedolven onder de draadjes van de lappenschijf. Zoals je kunt zien zijn de platen ongelofelijk mooi geworden.

Hoewel het polijsten een behoorlijke heftige klus was, is dit niets in vergelijking met het werk dat aan de trafokappen moet worden besteed. Het zijn trafobehuizingen van AE/Blaauw, waarbij de voedingstrafo's ingegoten worden en de UGT (vanwege zijn grootte) direct staand op het chassis wordt geplaatst met de kap er los overheen. Zoals ik al eerder schreef, is het de bedoeling dat alle liggende vlakken van RVS worden, dus ook de bovenkanten van de trafokappen. Hans heeft eerst de 6 plaatjes uitgesneden en min of meer op maat geslepen. Vervolgens heeft hij in elke kap een aantal gaatjes geboord, de RVS-plaatjes vastgeklemd en de plaatjes van binnenuit gelast. Daarna zijn de plaatjes precies op maat van de  kappen geslepen. Daarna volgt voor elke kap het klusje van het polijsten..... en dat 6x !!Als je de kappen mooi in de lak via de post binnenkrijgt, lijkt het heel wat. Maar als je de lak eraf haalt zie je dat er niet veel recht is en dat alles met puntlasjes bevestigd is. Normaal heb je daar geen last van, maar omdat in mijn geval de zijvlakken hoogglans zwart moeten worden, zal het nog wel een klusje worden om de zijkanten er vlak uit te laten zien.

Ik gebruik voor het chassis overigens geen hoogglans zwart als lak, maar matzwart met daaroverheen hoogglans blanke lak. Qua kleur en glans benaderd dit het beste het zwart van fabrieksversterkers. Vanwege de oneffenheden in de kappen heb ik deze matzwart gelaten om de foutjes te verbergen.

Hierboven nog een plaatje van de RVS-boutjes na een polijstbeurt door Hans. De binnenchassis zijn, dankzij een paar dagen mooi weer, ook klaar en voor zover mogelijk afgemonteerd. Vanzelfsprekend kwam ik er na montage achter, dat in elk chassis 2 doorvoergaten ontbraken, maar na ook deze gaten geboord en de tules geplaatst te hebben, ziet het er naar uit dat dit onderdeel klaar is. Eerst de grote JJ 500µF condensatoren weer uit de voetjes, anders kan ik niet meer bij de buizenvoeten van de gelijkrichters.

Verder met de opbouw

Na 2 weken wachten op een beetje mooi weer zonder wind, is het er eindelijk van gekomen. Je ziet hierboven de kappen in de matzwarte lak. De gepolijste rvs bovenplaten zijn afgetaped en meegespoten

En het eindresultaat na het verwijderen van de tape en de dikke lijmresten. 

Montagewerkzaamheden

Bezint voordat gij begint blijkt steeds weer een goed advies te zijn. Omdat ik ervoor gekozen heb om de chassisplaat dicht te houden (geen grote vierkante gaten in de chassisplaat waardoor je bij de trafotapjes kunt) i.v.m. het optimaal benutten van de ruimte in het vrij kleine chassis, moesten de trafo's na het ingieten bedraad worden alvorens ze gemonteerd kunnen worden. Fluitje van een cent zou je zeggen, maar als alles staat en je ben al aan het solderen begonnen en je komt er dan achter dat je een speciale draad aan de Va van de UGT had moeten solderen omdat de 813 een top-anode heeft, wordt je niet blij kan ik je zeggen.  -Ook het binnenchassis heeft zo zijn beperkingen. De holle ruimten tussen binnen- en buitenchassis zijn fantastisch voor het wegwerken van een aantal draden, maar als je van te voren trekdraden hebt geplaatst en deze breken omdat de kabel die er doorheen getrokken moet worden te dik en/of te stug is, dan kun je wel raden wat er moet gebeuren....  en ook daar wordt je niet blij van.  -Maar goed, uiteindelijk krijgt het e.e.a vorm. Je ziet hieronder een foto van het chassis met de trafo's eronder gemonteerd, de buizenvoeten geplaatst en de voeding op een haar na klaar.

Het afbouwen had meer voeten in de aarde dan ik vooraf had voorzien. De servo gestuurde gloeivoeding gaven veel problemen met de diodes. Omdat de statische last voor het 813 filament 5 Ampère is, had ik met 5 Iac x Wortel ² gerekend... zo'n 7,5A en had daarom voor 8 Ampère Schottky diodes gekozen. Helaas... de diodes begaven het met veel geweld na zo'n 2 uur spelen en namen meteen stukken printbaan mee. Gelukkig had Conrad een paar nieuwe types in het assortiment opgenomen waar ik goed mee uit de voeten kon, namelijk de SB1230 die 12A aankan en er gewoon uitziet als een standaard SB diode.

Na het nodige montagewerk functioneerde alles zoals het bedoeld was en werd het tijd voor wat metingen bij TriodeDick, die helaas aan de andere kant van het land woont. Al snel bleken er toch wat aandachtspuntjes te zijn, die ik na het thuiskomen heb aangepast. Het eerste puntje was de NRS ontkoppelweerstand. In de oorspronkelijke versie had deze een waarde van 33K, maar is nu verhoogd naar 68K. Samen met de weerstanden op de Nrs pcb geeft dat een totaalweerstand van boven de 100K. Dit bleek om 2 redenen nodig: De lage waarde van de weerstand in combinatie met de 0,47µF ontkoppel C, werkte als een laag-af filter die rond de 20Hz actief begon te worden. De impedantie van de 813 is voor audio frequenties een stuk hoger dan voor HF en een te lage Nrs weerstand zou een deel van de Voltage Swing op de grid teniet doen.Hier een totaaloverzicht van de binnenkant:

De buisjes

Beginnend met voeding van de 813 buis, maak ik gebruik van twee 6DW4-B diodes die, in tegenstelling tot hun europese broertjes, geen top anode hebben. Dit is een heel fijn buisje, omdat deze in grote hoeveelheden te verkrijgen is, weinig kost en geen top anode heeft en dus ook geen loshangende anodespiraal heeft die voor de nodige geluidsoverlast zorgt. Deze buis, die in miljoenen US kleurentelevisies zijn taak heeft volbracht, is in vele merken verkrijgbaar. Voorbeelden zijn RCA, Zenith en GE maar er zijn nog wel wat andere merken te noemen. Ze zijn ook in een aantal verschijningsvormen te krijgen.... een gladde rechte bovenkant (zoals bij de 6SN7) en een meer ronde top met een glazen puntje (zoals bij de ECC typen) 

De voeding van de mu-stage is uitgerust met het allerkleinste variant van de gelijkrichterbuisjes, n.l. de onvolprezen 6X4. De mooiste buisjes zijn de CV4005 / 6063 types van GEC en Mullard, maar voor dit project heb een paar erg mooie NOS Tesla buisjes op de kop kunnen tikken.De mu-stage wordt uitgerust met de oude bekende Siemens D3a en een Sovtek 6H30Pi (==6N30) De eindbuis wordt de RCA 813 die ik in 2 typen heb: die met een rechthoekige getter plaat onder in de buis (vanaf 1938) en die met een ronde getter plaat (vanaf ± 1943) Op zich wel grappig, want de buizen die er het modernste uitzien, zijn de oudste. Je kunt net zo goed 813's van Westinghouse kopen, want die komen gewoon uit de RCA-fabriek.

De voeding

De voeding is rechtstreeks afgeleid van de Goliath versterker van TriodeDick. De trafo's en de beschikbare spanningen wijken op een aantal punten flink af.

Zonder trafo's geen voeding.

De volgende trafo's komen van AE / Wil Blaauw uit Schagen: 

Op dit punt aangekomen is de gebruikelijk waarschuwing hier wel op zijn plaats. Is het bij de gemiddelde versterker al oppassen geblazen, de hier toegepaste voltages zijn dodelijk in combinatie met de stroom die er loopt. 900 Volt gelijkspanning bij 100mA gelijkstroom is voldoende voor een hartstilstand, dus wees altijd op je hoede!!!!

De versterker

De versterker is in principe de Cleo-6 mu-stage met een 813 buis er aan geplakt. Deze trap is gekozen voor de grote Voltage Swing die de 6H30/6N30 mogelijk maakt. De lezer van dit stuk die al eens eerder een Cleo-6 heeft gemaakt, kan deze versterker met zijn ogen dicht maken. Het voedingsgedeelte en de aansluitingen van de 813-buis, zijn de items waar je de meeste tijd in moet stoppen. Niet omdat het allemaal zo moeilijk is, maar omdat het gewoon veel werk is alle voedingscomponenten van een plekje te voorzien en ze vervolgens te bedraden. Korte draden hebben bij mij de voorkeur boven mooi naast elkaar liggende bedrading. Waar je altijd op moet letten is dat de bedrading elkaar zoveel mogelijk in een hoek van 90° kruist om zo min mogelijk interferentie van andere bedrading op te pikken. 

Zoals je op de foto's hebt kunnen zien, is de versterker door middel van het sub-chassis onderverdeeld in compartimenten, waardoor nauwelijks 50Hz (en zijn harmonische broertje 100Hz) invloeden merkbaar zijn in het versterkerdeel. Na de eerste metingen bleek er toch nog wat verbeterd te kunnen worden en heb ik de getwiste gloeibedrading voor de 6H30 en D3a van een afscherming voorzien en die vervolgens overtrokken met krimpkous. Het resultaat is dat je zelfs met je oor tegen de speaker niets hoort. Alsof de versterker uit staat.... best wel speciaal voor zo'n stroomvretende versterker waar je het tegendeel zou verwachten!  - De meetwaarden in het schema zijn opgenomen bij een neting van 227Vac. Als de versterkers in het rek staan en aangesloten zijn op mijn servogestuurde variac + netfilter, is dit het voltage waarop ze hun werk gaan doen.

De uitgangstrafo is met opzet op een zeer grote kern gewikkeld. Naast het afhandelen van een groot vermogen willen ik ook een strak laag en dat is met een 10K impedantie en voltage tegen de Kilovolt alleen maar goed mogelijk door een grote kern te kiezen. In dit geval is dat er een van langzaam uitgegloeid ijzer. De trafo kan meer dan 100Watt uitgangsvermogen aan zonder in verzadiging te raken. De UL tap zit op 25%

Weerstanden en condensatoren

Voor de hoogspanningsvoeding van de 813 buis gebruik ik JJ condensatoren, want 12 Blackgate -WKZ's zouden het project te duur maken (als ze al te krijgen zijn) maar voor de hoogspanningsvoeding van de voortrap gebruik ik Epcos en Elna Cerafine.

 Dat ik Elna gebruikt heb in plaats van een BG WKZ is puur en alleen omdat ik deze nog had liggen. Ze zijn nieuw in elk geval nergens meer te krijgen.

In de mu-stage zelf gebruikt ik Russische PIO's (K40-Y) met uitzondering van de 2u2 (rechts van de D3a) die niet in het signaalpad zit. Daar gebruik ik een willekeurige MKP.

Sinds ik versterkers bouw gebruik ik al de groene 2W Kiwame weerstanden. Naar mijn mening vrij neutraal qua klank en behoorlijk stabiel. Daarbij ..... een prijs rond de euro vind ik méér dan voldoende voor een weerstand die vanaf de fabriek nog geen cent kost. Uitzonderingen op de regel zijn de verschillende solid-state printjes waar ik doorgaans metaalfilm weerstanden gebruik en de gridweerstanden van de eindbuizen waar ik altijd Allen Bradleys plaats. 

Luisteren naar het resultaat

Bij een lage volume instelling speelden de versterkers vanaf het begin al redelijk goed, wat erg hoopgevend was voor het eindresultaat. Zeker na een aantal weken was het beslist geen straf om er naar te luisteren. Er waren wel een aantal minpuntjes te benoemen. Bij een wat hoger volume begonnen de klanken door elkaar te lopen, wat het eerste opviel in de zangpartijen. Ook nam de 'warmte' van de klank toe naarmate er meer uitgangsvermogen geleverd moest worden.

Wat in positieve zin leek op te vallen, was dat de versterker snel leek te zijn in het laag en dat de lage tonen met meer punch werden weergegeven. Een vriend die dezelfde 211 Goliath versterkers heeft staan als ik en goed weet hoe deze versterkers in mijn huiskamer klinken, was dezelfde mening toegedaan. Hoewel na deze constatering niet meteen de alarmbellen begonnen te rinkelen, was het een teken aan de wand. De 813 in SE UL opstelling heeft een dempingsfactor van nul-komma-nul. Dus wat op het eerste gezicht erg positief leek, had een erg negatieve oorzaak, namelijk behoorlijk veel even harmonischen die de 813 buis van nature schijnt te produceren. Dat werd wel duidelijk bij een bezoekje aan TriodeDick, waar de versterker aan de tand gevoeld werd. Het resultaat daarvan kun je hieronder lezen.

Waarom heeft deze versterker het toch niet gered?

Hoewel deze versterker in eerste aanleg veelbelovend was, het viel in de praktijk toch erg tegen. Bij laag vermogen klonk hij best goed, maar zo gauw de volumeknop iets verder omhoog gedraaid werd, ging het mis. Zoals je in onderstaand meetplaatje kun zien, blijkt deze 813-buis erg veel even harmonischen te genereren.... zoveel dat al snel een onacceptabele THD bereikt wordt.

Het was niet allemaal kommer en kwel. De 50Hz brom zat op -90dB, maar zijn naaste buurman (de  even harmonische:100Hz) zat al weer op -75dB. In het onderstaande plaatje is het meetsignaal 200Hz, die je overigens niet ziet omdat deze door de meetapparatuur onderdrukt wordt. Wat wel overduidelijk zichtbaar is, zijn de door de 813 gegenereerde even harmonischen van die 200Hz. Rond de -110dB zie je nog de restanten van de 50Hz 'brom'. 

Dan hieronder de feitelijke reden waarom ik de versterkers weer tot hun basiscomponenten heb teruggebracht. De THD loopt redelijk hoog op met de 813 buis in Ultra Lineaire setup. Je zit met 1 Watt dicht bij de 1%. Bij een uitgangsvermogen van 30 Watt bedraagt de THD bijna 10%.

Recapitulerend:

De 813 buis in deze setup voldoet niet aan mijn verwachtingen. Ik had er veel meer van verwacht. Er zijn wel een aantal oorzaken te benoemen waarom het eindresultaat beter had kunnen zijn, maar die schoten het doel van het project voorbij. Zo is het in triode zetten van de buis een beproeft concept (Pete Millet, Frens Mazenier) waarbij hele goede cijfers worden behaald qua THD, maar ook een Push-Pull setup is een gegarandeerd middel tegen THD. Op technisch gebied was er nog winst te behalen geweest met een ander soort uitgangstrafo met feedback wikkelingen (zie mijn 211 interstage project) en ik heb achteraf spijt dat ik het project te snel heb afgebroken.

Luistertesten leerden het volgende: Tot aan de eerste Watt klinkt het goed,  maar daarboven beginnen de klanken door elkaar te lopen, wat je het eerst hoort in de zang.  Er is wel veel drive in de muziek en het was zeker niet onaangenaam om naar te luisteren.

Mijn advies: als je toch wilt gaan bouwen met de 813 buis, kies dan voor een triode of p-p setup.

Diverse plaatjes

Hieronder het eerste monoblok vlak na het dichtschroeven van de onderplaat.

Het monoblok vanaf boven gezien, waarbij alle horizontale vlakken gepolijst rvs zijn en de vertikale vlakken zwart.

De 813 in actie....

Een plaatje van opzij..

Een sfeerplaatje van de gloeiende 813 buis in de avondschemering.

En dit zijn de plaatjes van de monoblokken op het audiorek. Erg lastig fotograferen met als die spiegelende oppervlakten en dus zonder flits gefotografeerd, evenals de foto's die daaronder volgen