Buizenversterkers

Er zijn maar weinig dingen die zoveel genoegen verschaffen als het ontwerpen, bouwen en niet te vergeten het beluisteren van audioapparatuur, die zowel betoverend klinkt als met je eigen twee handen gebouwd is.

Anders dan mensen die een creatief beroep hebben, is dit voor mij de manier om iets tastbaars neer te zetten en waar je diep gevoel van genoegen en trots van krijgt als je voor de eerste keer de schakelaar omzet en de muziek door de kamer klinkt.

Ook bij het ontwerpen en bouwen van de versterker in dit verhaal is dat niet anders, hoewel de achterliggende motivatie iets anders is als bij voorgaande bouwprojecten. Misschien vind je het een vreemde reden, maar de aanleiding voor de bouw was de prijs voor een reserve setje RCA 211 buizen voor mijn iGoliath (a USD 1000 – 1200) Dit deed mij besluiten om maar eens iets anders te bouwen, waarbij de kwaliteit minimaal net zo goed (zo niet beter) moet zijn, maar waar de prijs voor de eindbuizen een stuk betaalbaarder is.

Met deze uitgangspunten was de keuze snel gemaakt: de nieuwe eindbuizen moesten de machtige Russische GM70 triodes worden. De elektrische specificaties van de GM70 liggen ergens tussen de 211 en de 845, maar is gemakkelijker aan te sturen dan de 845 en levert (indien gewenst) ook nog eens meer vermogen. Niet in de laatste plaats omdat de maximale anodedissipatie van de buis 125Watt is. Prijs op eBay? 54 euro voor een paar.

Ook hier heeft elk voordeel zijn nadeel. Dat wat de GM70 een vriendelijke buis maakt in een versterkerschema (hoge prestaties bij een lage anodespanning door de 20V/3,25A gloeispanning) maakt het ook weer wat lastiger om de direct verhitte buis stil op de gloei te krijgen. Maar ja… we hebben het wel over een aanschafbedrag van 54 euro voor een paartje eindbuizen.

Als je eenmaal een eindbuis als uitgangspunt gekozen hebt, moet je het versterkercircuit en de bijbehorende voedingslijnen nog wel op orde zien te krijgen. Na een aantal mogelijkheden met Dick besproken te hebben (o.a. een mu-stage – interstage – GM70 combinatie) kwam Dick met een artikel uit het roemruchte Sound Practices (editie 12, pagina 10) over de bouw van de Audio Note Ankoru SE 845.

Dit is in de basis een heel andere versterker dan ik voor ogen had, maar in grote lijnen wel wat ik nodig had. Waar we uiteindelijk op uitgekomen zijn, is een combinatie van 

Dit is in de basis een heel andere versterker dan ik voor ogen had, maar in grote lijnen wel wat ik nodig had. Waar we uiteindelijk op uitgekomen zijn, is een combinatie van de Atilla (maar dan met de 300B als driver sectie en de instellingen van de Ankoru) en de eindtrap van de iGoliath.

De mu-stage wordt bedient met een 6H30 en een D3a, de driver met een 300B en de eindtrap met de GM70. Hierbij is de mu-stage aan de driver gekoppeld met een condensator en de driver aan de eindbuis met een 1:1 interstage transformator. De dubbele C-kern interstages zijn afkomstig van AE-Europe in Schagen, die speciaal voor mijn toepassing de interstages op bijzondere montagebeugels heeft gemonteerd, zodat ik ze liggend kon bevestigen. Aan de eindbuis hangt een 9K in 6 Ohm uitgangstrafo van Vlaartronic, die net als de uitgangstrafo van de iGoliath, voorzien is van een tegenkoppelingswikkeling. De primaire impedantie kan wat lager zijn dan bij de 211 buis, omdat de Ra van de GM70 wat lager is. Dit leidt tot een wat betere vermogensopbrengst t.a.v. de 10K van de 211 uitgangstrafo.

Deze samenstelling ziet er dan in schema als volgt uit:

De buizenbezetting van het versterkerdeel is in beginsel een Sovtek 6H30, een Siemens D3a, een Svetlana 300B en een GM70 van Ulyanov. (klik op het schema voor een grotere versie)

Een versterker samenstellen en achteraf bedenken of het allemaal wel in een mooi chassis past, is niet de goede weg om te bewandelen en daarom heb ik na wikken en wegen besloten om voorafgaande aan het bouwproject een paar chassis te bestellen via AliExpress. Het wikken en wegen was niet om de schoonheid of maten van het chassis, maar meer om het gewicht en de daarbij behorende transportkosten. 10kg aluminium verzenden van China naar Nederland kost minimaal hetzelfde als de chassis zelf….., maar wie mooi wil zijn moet pijn leiden, zegt het spreekwoord.

Het ziet er (in mijn ogen) dan ook professioneel en strak uit en heb er geen seconde spijt van gehad. Hoewel… dat kwam later pas, bij het naar boven en beneden (en vise versa) sjouwen van de versterkers, wat tot wat rugproblemen en bezoekjes aan de manueel therapeut heeft geleid.

De kenmerken van deze versterkers: "imposant” en “van groot gewicht" samen met de Russische buizenbezetting met de majestueuze GM70 buis, zijn het uitgangspunt geworden voor de naamgeving van deze versterker: "De Tsaar"

De voeding is een uitdaging op zich, want je hebt in principe te maken met 3 aparte voedingslijnen en het moet dan ook nog allemaal op een normale manier in het chassis passen. Na wat rekenwerk met PSU designer, ben ik op de volgende configuratie gekomen: voor de mu-stage een CLCRC filter, voor de driver een CLCRC filter en voor de eindbuis een CLC filter. De hierbij gebruikte (EI-kern) chokes en de voedingstrafo’s zijn weer van AE-Europe.

De componentkeuze is er ook niet makkelijker op geworden sinds het niet meer beschikbaar zijn van Blackgate en Elna HV condensatoren. Niet makkelijker in de zin van: welk merk en type zal het goed doen op deze plek in de voeding? Een Blackgate of Elna was vroeger zowat een vaste waarde in voedingen en belangrijker nog: de resultaten waren voorspelbaar. Voor deze versterker is het uiteindelijk een mix geworden van Nippon-Chemicon en Mundorf voedingscondensatoren.

De buizenbezetting voor de gelijkrichting van de hoogspanningen is: een Tesla 6Z31 (EZ90/6X4) voor de mu-stage, een Sovtek 5AR4 voor de 300B en 2x 6DW4-B voor de GM-70.

De gloeispanning voor de 6H30 en de D3a in de mu-stage is AC, maar zowel de 300B als de GM70 zijn voorzien van Tentlabsvoedingen. Voor de GM70 had ik in eerste instantie een paar aangepaste Tentlabs 211 voedingen gebruikt, maar op advies van Guido Tent heb ik een paar 20V/5A gloeivoedingen besteld, omdat de voedingen in deze setup geen lang leven beschoren zouden zijn. Een bestelling voor een door Guido aangepast paar was dus snel de deur uit en net zo snel werden de nieuwe 20V/5A gloeivoedingen bezorgd.

Deze gloeivoedingen hebben grote toegevoegde waarde in deze versterker. Gezien de stromen die over een weer lopen is het een wonder op zich dat deze versterkers zo stil zijn geworden. Je moet echt je oor tegen het speakerdoek gedrukt houden, om nog enige restbrom te kunnen horen.

Anders dan bij de 300B is er voor gekozen om de bias van de eindbuis te regelen met behulp van Negatieve roosterspanning. Het schema hiervoor is het bekende recept van Dick en kun je hieronder bekijken. Niet in het schema staat de 62K weerstand die zorgt voor de ontkoppeling van de grid met de negatieve roosterspanning.

Dit is een in elke projectbeschrijving terugkerend hoofdstuk. Niet omdat het zo bijzonder is, maar omdat het driekwart van het werk is. Deze werkzaamheden lopen van goed nadenken over de plaatsing van de componenten, het met trekponsen maken van de gaten, tot aan het boren, zagen en in chassisdelen om alles op zijn plek te krijgen.

Zoals hierboven al beschreven, is het uitgangspunt een mooi fabriekschassis, waarbij nog wel de nodige aanpassingen gedaan moeten worden. Naast de gaten voor de buizenvoeten, doorvoerkanalen voor de bedrading, de montagegaten voor de trafo’s, het gat voor de mA-meter en het montage gat voor de NRS-potmeter, heb je ook nog te maken met de Line-in, Speakers uit en IEC-spanningsconnector.

Ik heb in de jaren (vaker dan me lief is) versterkers weer helemaal uit elkaar moeten halen vanwege kleinigheden. Bij de iGoliath heb ik dat opgelost d.m.v. het monteren van componenten op de zijwanden, maar daar kun je, als de versterker eenmaal klaar is, ook niet overal meer bij. Bij deze versterkers heb ik het heel anders aangepakt. Ik heb in feite een extra componentendek gemaakt boven de eigenlijke chassisplaat (van onderaf gezien).

Dat betekent dat de draden vanaf de trafo’s vrijelijk en rechtstreeks van de trafo’s naar de componenten of buizenvoeten kunnen lopen en er een fysiek schild ontstaat tussen AC voerende bedrading en de andere componenten en niet in de laatste plaats de interstagetransformator.

Maar het grootste voordeel komt door het gebruik van afstandsbussen, waarbij ik door het losdraaien van een paar moertjes en het lossolderen van 6 draadjes, het gehele paneel met chokes en condensatoren uit kan nemen. Dat heeft mij al een keer gered, toen één van de nieuw geleverde condensatoren een sluiting tussen behuizing en min bleek te hebben, waardoor er vonkjes oversloegen tussen de bodem van de condensator en de chassisplaat.

Op zich is zo’n ‘lekkage’ niet erg, als je er van te voren maar rekening mee houdt als de condensatoren in serie zijn geschakeld om een 1050Vdc voeding te bedienen. Bij normale toepassing is het enige risico wat je loopt een aardlus met een brom tot gevolg. Ook niet fijn, maar niet schadelijk voor je versterker. Zo’n uitneembare componentendek is overigens ook handig als je een moertje laat schieten die je er met schudden en omkeren niet meer uitkrijgt. Dat gebeurt de professional natuurlijk nooit, maar bij mij komt dat wel eens voor…ahum…

Het chassis is 4mm dik, dus daar moet je wel rekening mee houden als je buizenvoeten uitkiest. Bij montage van de buizenvoet onder de chassisplaat kan dat wel eens tot problemen leiden bij Noval en 7-pin mini buisvoeten, omdat de glazen envelop een grotere diameter heeft dan het geponste gat en je dus geconfronteerd wordt met een buis die je niet in de voet kunt steken.

Nu worden de afstandsbussen gemonteerd om straks het componentendek te plaatsen. Het blijft passen en meten en het is goed om de gaten voor de boutjes 1mm te groot te boren.

Vanaf dit punt kunnen de trafo’s geplaatst worden. In mijn geval eerst de interstage die loodrecht onder de Uitgangstrafo komt te hangen. Ik heb de interstagetrafo geïsoleerd van het chassis opgehangen. Daarna volgen de voedingstrafo’s die beiden in de behuizing ingegoten zijn. De bedrading er aan solderen, doorvoeren door de doorvoergaten en de behuizingen vastzetten.

De volgende stap is het monteren van de Tentlabs voedingen. Deze worden geleverd met een gigakoelblok, waar je in een buizenversterker niet veel mee kunt. Net als in de iGoliath heb ik ervoor gekozen om ze te monteren op blokken aluminium die strak in de zijprofielen van het chassis passen. Hiervoor moeten gaatjes geboord worden om de IC’s te monteren (met koelpasta) en om de PCB zelf vast te zetten. Als dit klaar is, wordt het blok met lichte dwang en voorzien van koelpasta in het chassis profiel geperst. Daar heb je dan geen omkijken meer naar.

Dan volgt de montage van de uitgangstrafo op het bovendek. In tegenstelling tot de voedingstrafo’s, is deze niet ingegoten, maar staat hard op het chassis. Ook hier de draden aan de taps solderen en we zijn al een aardig eind op weg naar de voltooiing van de versterker.

Dan wordt het tijd om de boel te bedraden. Eerst alle nullen van de wikkelingen naar het centrale massapunt, dan de buizenvoeten voorzien van gloeispanning. Dan alvast een stevige draad van het centrale massapunt naar de massa terminal voor het versterkergedeelte.

Nu wordt het tijd om het voorgefabriceerde componentendek te monteren op de daarvoor bedoelde afstandsbussen. Dek de gaten en gleuven aan de zijkanten goed af, want er springt wel een ringetje of moertje weg. In dit stadium nog niet zo erg, maar als je straks alles bedraad hebt en het moertje blijft ergens steken….

Nu gaan we echt aan het bedraden en gaan de 3 voedingslijnen vorm geven. De hoogspanningen van de buizenvoeten naar plussen van de eerste condensatoren en de minnen naar het centrale massapunt. Vandaar lopen we de hele CLC(RC) paden af tot aan de buizen zelf.

Daarna solderen we de 470K bleeder weerstanden c.q. de spanningsdeler weerstanden op de in serie geschakelde condensatoren. Deze weerstanden zorgen er niet alleen voor dat de hoogspanning (+1000Vdc) netjes verdeelt wordt over de drie condensatoren, het maakt ook veilig meten mogelijk over de weerstanden heen. De som van de voltages over de weerstanden geeft de hoogte van de anodespanning weer.

Wees altijd erg voorzichtig met meten. Zet de min sonde/meetpen altijd stevig vast aan massa, meet met één hand en stop de andere in je zak. Spanningen boven de 1000Vdc zijn dodelijk!

Om de hierboven beschreven reden heb ik voor de noval en 7 pens buizenvoeten ook gekozen voor teflon versies. De hoogte van de contactvoet is precies 4mm en past dus als een handschoen. Ook de buizen zitten, door de constructie van de teflon voeten, strak in de voeten.

Maar er is op dit vlak nog meer te melden. In de eerste plaats voor de NOVAR voeten van de 6DW4-B gelijkrichters. De nieuwe productieseries met keramische voet is alleen bedoeld voor buizen met 1mm pennen en niet voor Novar of Compactron buizen met een pen dikte van 0,8mm, al worden ze wel als dusdanig verkocht.

Bij het eerste gebruik zijn de contacten aan de buizenpennen nog goed, maar na de 2e keer kun je bijna zonder weerstand de buis in en uit de voet trekken. Je kunt de pennen vervolgens wel naar buiten buigen zodat ze ‘lekker strak zitten’, maar het contactvlak is dan minimaal. Geen aanrader dus voor een ‘rauw’ gelijkgerichte spanning van boven de 1000Vdc en dus heb ik die er weer snel uitgesoldeerd.

Na veel zoeken heb ik op de site van Tubeworld een kwartet originele en ouderwetse keramische Novar voeten gevonden en besteld. Omdat deze voeten geen metalen montagering kennen en de bovendiameter groter bleek dan de onderdiameter, heb ik deze voeten bovenop de chassisplaat moeten monteren. Cosmetisch valt het gelukkig mee, want je ziet er bijna niets van.

De buizenvoeten van de GM70 kennen een gelijksoortig verhaal, maar is er ook een belangrijk aandachtspunt te melden. De moderne, veelal Chinese, buizenvoeten voor de GM70 zijn niet echt berekent op hun taak. De GM70 zendbuis werd van origine bedient met buisvoeten waarbij de pennen in metalen bussen geklemd zaten. Bij de moderne buizenvoeten worden slappe koperen contacten met een stalen veerplaat tegen de pennen gedrukt.

Als je deze contactvorm van dichtbij bekijkt, zie dat het contactvlak minimaal is, omdat de klemmen snel scheef gaan staan door de dikte van de pennen en dat wreekt zich het meest bij de extra dikke kathodepen.

We hebben het hier wel over contacten die aardige vermogens moet kunnen geleiden: 65W voor de gloeidraad, 85W anode dissipatie en een gecombineerde 150W aan de kathode. Dit vermogen verlaat via de kathodepen de eindbuis richting massa.

Ik heb (na aanvankelijk de moderne buisvoeten gebruikt te hebben) uiteindelijk gekozen voor teflon voeten met klemmende messing buiscontacten. De buizen staan daarop als een huis en hebben een maximaal contactvlak.

Daarmee zijn we aangekomen bij een belangrijke weetje: De meeste pen lay-outs van de GM70 die je op Internet kunt vinden zijn fout. Zelfs op Russische websites en eBay worden onjuiste pen lay-outs gepresenteerd. Het kostte enige moeite om een originele datasheet te vinden, maar uiteindelijk bleek daar bevestigd wat ik zelf al dacht: De dikke pen is de gecombineerde kathode-/gloeimassa pen, waar in mijn geval bijna 150W aan massa gelegd wordt. Dit is belangrijke informatie als je de buis voedt met gelijkspanning en je brom wilt vermijden.

De weerstanden zijn, als vanouds, de groene Kiwame’s. Dit zijn de standaard 2W types. Uitzonderingen daarop zijn de 2 parallelle 2K7 kathodeweerstanden van de 300B en de 33K Current dump weerstanden van de mu-stage. Dit zijn de 5W types.

De koppelcondensator is een Mundorf Silver/Gold Evo van 0,47uF en de condensatoren in de mu-stage zijn respectievelijk een 0,33uF Mundorf Evo en 2,2uF Mundorf Evo

De gebruikte voedingscondensatoren zijn:

· Nippon-Chemicon 50uF/450V (3x 150uF KMS in serie)

· Nippon-Chemicon 186uF/450V (3x 560uF KMQ 105° in serie)

· Mundorf M-Lytic HV 200+200uF/500V

· Mundorf M-Lytic HV+ 220uF/500V

· Nippon-Chemicon 220uF/450V

De chokes:

10H / 50mA 175R
10H / 50mA 75R
5H /120mA 75R

Het overgrote deel van de bedrading is uitgevoerd met verzilverd koper in teflon van militaire kwaliteit.

Niet alleen het ijzerwerk, maar ook de muzikale prestaties maken indruk. Al na enkele uren klinkt het eigenlijk al boven verwachting. Hoewel de iGoliaths al bijzonder goed klonken, wordt met deze versterkers toch wel een stapje extra gezet. Als je hieronder de meetgegevens met commentaar van Dick leest, dan begrijp je waarschijnlijk ook waarom. De specificaties van deze versterkers liggen op een aantal fronten toch wel een niveau hoger dan bij de 211. De eerste indrukken zijn: een breder en dieper geluidsbeeld, waarbij het muzikale plaatje met veel meer ‘presence’ wordt neergezet. Het is een rotwoord en de directe vertaling ‘aanwezigheid’ dekt de lading van het Engelse woord niet. Ik bedoel ermee te zeggen, dat de muziek meer body heeft / er meer energie achter lijkt te zitten en strak wordt neergezet. Dat laatste geldt zeker voor de lage frequenties. Ik heb mijn REL sub-woofer inmiddels uit de audio-keten gehaald.

Het is al met al zeker geen goedkope versterker geworden, maar in muzikale prestaties is hij zijn geld dubbel en dwars waard! Met het verschil in de prijs van de eindbuizen, kun je de extra componenten makkelijk financieren. Voor het geld wat je moet spenderen aan een paartje RCA of United 211 buizen, kun je nu 40 GM70 eindbuizen kopen of besteden aan de 300B driverbuizen en extra voedingscomponenten voor deze versterker.

We hebben De Tsaar ook even op de meetbank gezet. Hierna een verslag van de metingen en resultaten door Dick van der Merwe.

Een achilleshiel voor versterkers met het type eindbuizen als hier op De Tsaar is vaak de beperkte frequentiebandbreedte. Uitgangstransformatoren met een primaire impedantie tegen de 10 kOhm zijn van nature niet gemakkelijk breedbandig te krijgen. Vaak is het net boven 20 kHz al snel een aflopende zaak. Peter’s Tsaar laat echter een zeer fraaie resultaat zien met een bandbreedte van 50 kHz. Binnen de grens van het Audio Precision meetstation is, 200 kHz, is er geen enkele transformatorresonantieverhoging zichtbaar. Heel erg mooi. Blokgolven op de oscilloscoop zien er strak uit zonder enig overshoot.
De vervorming is voor een dergelijke versterker mooi laag. In cijfers zo rond de 0,25% THD+n. Waarbij THD voor ‘Total Harmonic Distortion’ staat en de ‘+n’ voor de ‘noise’, de brom en ruisresten. De plaatjes laten echter meer zien. Met name het fraaie aflopende spectrum waarbij de hoogste piek van de tweede harmonische het grootste aandeel heeft in het bovengenoemde harde cijfer. Erg mooi!

Bij 10 watt uitgangsvermogen is de vervorming weliswaar wat hoger, maar nog steeds bovengemiddeld mooi.

Bij buizenbakken nemen we vaak het 10% THD omslagpunt, een harde clip zoals bij een solid state versterker is er bij een single ended versterker als dit niet te zien, slechts een langzaam inzakkende top van de sinus als het maximale vermogen is bereikt. Hier zien we dat De Tsaar voor een single ended versterker een behoorlijk straf uitgangsvermogen laat zien dat richting 25 watt gaat.

Ik kan tot geen andere conclusie komen dan dat De Tsaar ook meettechnisch bovengemiddeld zijn mannetje staat. Beter dan ik van een behoorlijk complex gebouwde versterker als dit verwacht had.

Het minste punt hebben we maar voor het laatst bewaard. Dat een potige buisversterker als dit, met zijn grote buisbezetting en een eindpit die alleen om te gloeien al 65 watt vraagt, geen groene versterker is zal echter geen geheim zijn. De Tsaar verlangt continu 235 watt aan energie uit de wandcontactdoos. En dan hebben we het over één monoblok.

De 5AR4’s zijn inmiddels vervangen door Mullard CV2478/GZ30 buizen, die in mijn oren, de muziek net iets vriendelijker laten klinken. De voltagedrop is echter wel iets hoger dan bij de moderne 5AR4 buis.

Ik ben in eerste instantie begonnen met drie CLC voedingslijnen, maar heb ervoor gekozen om het maximale uit deze versterker te halen en heb twee RC filters toegevoegd. Deze zijn al in bovenstaand verhaal verwerkt.

Ik kan tot geen andere conclusie komen dan dat De Tsaar ook meettechnisch bovengemiddeld zijn mannetje staat. Beter dan ik van een behoorlijk complex gebouwde versterker als dit verwacht had.

Dit artikel is eerder gepubliceerd in: Audio-Creative