Buizenversterkerprojecten

PhaseDrive KT120 Push-Pull versterker

van een defecte LA Audio A100 via de MonoBill Classic naar een KT120 Push-Pull versterker

De aanzet tot dit project is de hier onderstaande en defecte LA Audio A100R push-pull versterker met een doorgebrand PCB. In tegenstelling tot de oorspronkelijke LA Audio, die opgericht is in Denemarken in de jaren '80 en bekend is in de professionele audiowereld, (vooral voor hoogwaardige audioapparatuur zoals versterkers, microfoonvoorversterkers, equalizers en compressoren) komt deze versterker uit Taiwan en is niet verwant aan het Deense merk en richt zich op een totaal andere markt, waarbij doorgaans goedkopere audioapparatuur en consumentenproducten, zoals versterkers, luidsprekers, en andere consumentenaudio-apparatuur gemaakt worden.

Via Marktplaats kwam ik een defecte LA Audio A100 tegen die ik voor een redelijk bedrag kon aanschaffen. Al bij het zien van de advertentie wist ik meteen wat ik met dit apparaat wilde doen. Wat mij direct aantrok was de robuuste en fraai vormgegeven RVS-behuizing, die zich uitstekend leende als basis voor een nieuw project.

De verkoper verzekerde mij dat zowel de voedingstrafo als de uitgangstrafo’s nog in goede staat verkeerden. Dat was voor mij voldoende reden om de versterker te kopen: de transformatoren vormen immers het hart van een buizenversterker en zijn doorgaans de duurste en meest bepalende componenten. Toen de versterker eenmaal arriveerde – een forse, zware doos – heb ik hem meteen geopend om te inventariseren wat nog bruikbaar was en wat niet. Tot mijn opluchting bleken niet alleen de transformatoren intact, maar ook het PCB’s voor navigatie en inputselectie waren nog functioneel. De rest was helaas minder positief en heb ik volledig verwijderd.

Op de foto hieronder is het originele PCB met de smoorspoelen en inputselectie te zien. Als je goed kijkt, zie je een aantal  doorgebrande en ontbrekende onderdelen. De onderzijde van het bord was zo mogelijk nog problematischer: meerdere provisorisch aangebrachte soldeerbruggen op plaatsen waar de printbanen volledig waren doorgebrand. Het was duidelijk dat het bord direct naar de vuilnisbak kon verhuizen..

Daarom heb ik besloten het volledige binnenwerk te verwijderen en de versterker helemaal opnieuw op te bouwen. Mijn uitgangspunt daarbij was om een stereoversterker te maken, gebaseerd op de bekende MonoBill Classic van TriodeDick. Maar al snel bleek dat dit plan niet één-op-één uitvoerbaar was. De onderliggende redenen zijn de karakteristieke spanningen van de aanwezige transformator en de toepassing van een 6SN7 buis in de voortrap: Hierdoor kon het ontwerp niet ongewijzigd overgenomen worden. Om het geheel optimaal te laten functioneren, was het noodzakelijk een aantal fundamentele wijzigingen in de schakeling aan te brengen.

Beperkingen vooraf:

Een complicerende factor bij dit project was, dat er geen schema’s of fabrieksdocumentatie van de LA Audio A100 beschikbaar waren. Daardoor moest ik grotendeels uitgaan van eigen metingen en aannames. Al tijdens de eerste inventarisatie werden een aantal duidelijke beperkingen zichtbaar:

Netspanningsvoorziening: De voedingstrafo is ontworpen voor een nominale netspanning van 220 Vac. In de praktijk ligt de huidige netspanning echter rond de 230 Vac, waardoor de secundaire spanningen hoger uitvallen dan destijds bedoeld. Ik gebruik zelf een automatische spanningsregelaar die ingesteld staat op 228Vac. Dit is nodig omdat de netspanning hier regelmatig oploopt tot 247 Vac. 

Hoogspanningswikkelingen: Er zijn twee afzonderlijke hoogspanningswikkelingen aanwezig, elk van 412 Vac zonder centertap. Deze leveren dus een relatief hoge spanning, wat direct invloed heeft op de werkpunten van de eindbuizen en de dimensionering van de voedingselco’s en smoorspoelen.

Gloeispanningen voor de eindbuizen: Voor de oorspronkelijke KT88-buizen zijn er twee gloeispanningswikkelingen van 6,3 Vac zonder centertap beschikbaar. Het is echter niet duidelijk of deze ook voldoende stroom kunnen leveren voor de zwaardere KT120 buizen die ik in dit project wil toepassen.

Gloeispanning voor de voortrappen: Voor de stuur- en voortrappen is één aparte wikkeling beschikbaar van 6,3 Vac / 1 A zonder centertap. Veel te weinig voor wat ik wil.

Extra wikkeling: Daarnaast is er een wikkeling aanwezig van 80 Vac, vermoedelijk bedoeld voor een negatieve roosterspanning (NRS) of een hulpcircuit.

Onbekende stromen: Over de maximale stroomcapaciteit van de verschillende wikkelingen is geen enkele documentatie beschikbaar. Dit betekent dat ik voorzichtig moet zijn met de belasting en mogelijk metingen zal moeten uitvoeren om te bepalen wat verantwoord is.

Bedieningsopties: De versterker was oorspronkelijk uitgerust met een afstandsbediening, maar die ontbrak. Wel aanwezig is een gemotoriseerde 47 kΩ volumepotmeter. De navigatie- en inputselectie wordt aangestuurd via een eigen kleine trafo. Op het PCB van de inputselectie bevindt zich bovendien een relais dat in serie staat met de aan/uit-schakelaar. De functie hiervan is onduidelijk – vermoedelijk was het bedoeld om de versterker via de afstandsbediening of stand-by functie te kunnen schakelen, maar praktisch voegt dit weinig toe.

Fysieke beperkingen: Na het verwijderen van het oorspronkelijke PCB blijven er acht grote gaten in het chassis achter. De buisvoeten waren immers direct op het printplaat gemonteerd, waardoor een alternatieve montageoplossing nodig is.

Keuze van buizen: Indien ik in de voortrap een 6SN7 wil toepassen in plaats van een 6N6P, dan zijn er extra gloeistroomvereisten. Voor twee 6SN7GT en twee 6N6P-I is in totaal 2 × 6,3 Vac / 1,5 A nodig, wat de huidige gloeivoorziening kan overstijgen. Ik wil graag KT120 buizen gebruiken, maar ook deze gebruiken aanzienlijk meer gloeistroom dan de KT100's die er oorspronkelijk in zaten. 

Oplossingen:

Ondanks de hogere netspanning bleken de secundaire spanningen van de voedingstrafo in de praktijk niet extreem hoog uit te vallen. Bij de eerste opstelling van de versterker, opgebouwd volgens het MonoBill-ontwerp, leverden de hoogspanningswikkelingen voldoende spanning en stroom om de KT120 buizen veilig te laten werken. Met een anodespanning van minimaal 500 Vdc en een biasinstelling van 50 mA per buis functioneerde de eindtrap stabiel. Ondanks de aangepaste instellingen in de voortrap bleek dit in de praktijk geen enkel probleem te vormen.

De hoogspanningswikkelingen leveren ongeveer 412 Vac per kanaal bij de gekozen configuratie. Een punt van aandacht was of de aanwezige 6,3 Vac gloeispanningswikkelingen de hogere stroomafname van de KT120’s zouden kunnen verdragen, omdat deze meer gloeistroom vragen dan de oorspronkelijk toegepaste KT88’s. Om het zekere voor het onzekere te nemen, heb ik de voortrappen ontkoppeld van deze wikkelingen en een apart trafootje laten wikkelen. Hierdoor blijven de originele gloeispanningswikkelingen volledig beschikbaar voor de KT120’s, en worden de stuurbuizen onafhankelijk gevoed. De resterende secundaire wikkelingen van de hoofdtrafo worden niet meer benut.

De oorspronkelijke gemotoriseerde 47 kΩ potmeter is verwijderd en vervangen door een hoogwaardige TKD 100 kΩ logaritmische potmeter, die een betrouwbaardere en audiovriendelijkere volumeregeling biedt.

Een fysiek probleem was het ontbreken van buisvoeten in het chassis zelf; deze zaten namelijk op het originele PCB. Om te voorkomen dat ik nieuwe gaten moest boren in het roestvaststalen bovenblad, heb ik gekozen voor een andere oplossing: een aluminium montageplaat waarin de nieuwe buisvoeten zijn geplaatst. Deze plaat is onder het bestaande bovenblad gemonteerd, waardoor de buizen netjes door de oorspronkelijke openingen steken en het esthetische uiterlijk van de versterker behouden blijft.

Voor de voortrap koos ik uiteindelijk voor de 6SN7 in plaats van de 6N6P. Dit had twee redenen:

Klankmatige voorkeur:  de 6SN7 staat bekend om zijn muzikale, open en natuurlijke weergave, die vaak beter aansluit bij een hoogwaardige hifi-versterker.

Variatie in trapopbouw: drie opeenvolgende versterkertrappen met hetzelfde buistype is zelden wenselijk. Door de 6SN7 te combineren met de 6N6P ontstaat een meer uitgebalanceerd klankkarakter en wordt voorkomen dat de versterker te “éénkleurig” gaat klinken.

Voor deze configuratie was extra gloeistroomcapaciteit nodig: in totaal 2 × 6,3 V AC / 1,5 A voor twee 6SN7GT’s en twee 6N6P-I’s. Hiervoor liet ik een speciaal trafootje wikkelen, zodat de voortrappen onafhankelijk van de hoofdtrafo van voldoende en stabiele gloeispanning kunnen worden voorzien.

Voor de eindbuizen voor de zekerheid een matched quad Genalex KT88 en een matched quad Tungsol KT120 gekocht. Gelukkig is er genoeg stroom om de KT120 te gloeien.

Het chassis:

De basis voor de bouw

Om het originele roestvaststalen bovenblad van het chassis intact te houden, wilde ik geen nieuwe gaten boren. In plaats daarvan heb ik gekozen voor een modulaire oplossing met twee aluminium montageplaten.

De voorzijde: op de eerste plaat zijn de buisvoeten gemonteerd. Deze plaat bevindt zich onder het RVS bovenblad, waarbij de buizen netjes door de bestaande openingen steken. Zo blijft het chassis zijn strakke, oorspronkelijke uiterlijk behouden, terwijl de buizen stevig en betrouwbaar bevestigd zijn.

De achterzijde: de tweede plaat is geplaatst aan de achterkant van het chassis en draagt de voedingscondensatoren. Deze steken door het bovenblad heen, wat een stevige bevestiging geeft en tevens voldoende ruimte voor de bedrading laat.

Het aanbrengen van de gaten voor deze platen vraagt om redelijke precisie: een afwijking van slechts een millimeter kan ervoor zorgen dat de buizen of condensatoren niet goed uitlijnen met de uitsparingen in het bovenblad. Daarom startte de opbouw van de versterker met een leeg chassis, zodat de montageplaten exact passend konden worden voorbereid voordat de overige componenten geplaatst werden.

Het gebruik van deze aluminium platen combineert het behoud van het mooie chassis en servicegemak. Het RVS bovenblad blijft onbeschadigd en oogt professioneel, terwijl de aluminium platen het tijdens de opbouw eenvoudig maken om componenten te vervangen, aan te passen of uit te bouwen zonder ingrijpende bewerkingen aan het chassis zelf.

.

Vervolgens maken we één van de platen geschikt voor de buisvoeten en afstandsbussen en de andere voor de condensatoren:

Montage biasregeling

De volgende stap in het project was het monteren van de buizenvoeten en voedingscondensatoren, het aanbrengen van de overige benodigde componenten en het aanleggen van de bedrading.

Voor de negatieve roosterspanning (NRS) heb ik als uitgangspunt het voedingsgedeelte van de Tentlabs Bias-regeling gebruikt. De originele Bias-controller zelf kon echter niet worden toegepast. Het probleem is dat bij een Solid-State voeding de hoogspanning direct aanwezig is, terwijl de controller pas na enkele seconden begint te regelen. Tegen de tijd dat de controller actief wordt, is al een deel van de spanningsregeling – inclusief de condensatoren – overbelast of zelfs doorgebrand.

Daarom heb ik een eigen rail voor de Biasregeling opgezet. Deze bestaat uit vier instelbare potmeters, gekoppeld aan een bordje met vier 10 Ω meetweerstanden. Elke weerstand is verbonden met een meetconnector, waarmee de spanning achter de KT120-buizen kan worden gecontroleerd. De potmeters en meetconnectoren zijn zo geplaatst dat ze achter de buizen verborgen blijven, waardoor het uiterlijk van de versterker netjes blijft en de bediening toch praktisch mogelijk is.

De Biasrail met Vishay instelpotmeters

Rechtsboven zie je een groen PCB-tje waar de weerstanden op gemonteerd zijn voor de NRS-regeling. Daaronder het bordje met 4x 10Ω meetweerstanden.

De versterker:

De Triode 6SN7 instellen:

In tegenstelling tot het originele schema van de MonoBill Classic, heb ik in de voortrap een 6SN7GT/VT231 gebruikt in plaats van de 6N6P. Dit vereist enkele aanpassingen in de instelling van de buis, omdat zowel de voedingsspanning als de kathodeweerstand zorgvuldig moeten worden gekozen om het optimale werkpunt te bereiken.

Het zogenaamde “sweet spot” van een 6SN7 is niet absoluut en hangt af van de voorkeur van de ontwerper. Sommige bouwers kiezen voor een lagere stroom (3–4 mA per triode) om een zachtere klank en langere buislevensduur te verkrijgen en anderen kiezen een hogere stroom (8–10 mA+) voor strakkere controle en lagere vervorming.

Veel versterkerbouwers vinden een instelling van rond 250 Vdc / 8 mA per triode het beste compromis tussen klank, vervorming en levensduur, maar voor deze toepassing wordt vanwege de beperkingen van de voeding gekozen voor een andere oplossing..

Om die reden is gekozen voor een biasinstelling waarbij het werkpunt midden in de lineaire regio van de buis ligt. Voor de gebruikte 6SN7 met de geselecteerde anodeweerstand (Ra) komt dit neer op een rooster‑aan‑massa spanning van ongeveer Vg ≈ −2,4 Vdc en een anodestroom van Ia ≈ 5 mA per triode. Hiermee ligt het werkpunt iets onder het midden van de loadline, wat doorgaans de laagste harmonische vervorming oplevert en een goed evenwicht biedt tussen klankkwaliteit en betrouwbaarheid.

Het klassieke werkpunt voor minimale vervorming voor een 6SN7 triode, waarbij een minimale vervorming  wordt bereikt bij een mu ≈ 20 en ra ≈ 7–10 kΩ is:

• B+ ≈ 335 V (B+++ in schema)
• Ra = 47 kΩ
• Va ≈ 102 V
• Rk = 470 Ω
• Vg ≈ −2,4 V
• Ia = 5,1 mA
• Bij een ingangssignaal  V_in =1V wordt het uitgangssignaal: V_out = 13,9V_peak

Deze instelling van B+ geeft een mooie balans tussen lineariteit en headroom.

Met Ra = 47kΩ, Rk ≈ 470Ω en Vg ≈ −2,4 V ligt de vervorming rond 0,15–0,2 % THD.- Dit geldt voor klasse A, met kleine signalen en met volledige swing tot Va ≈ 102 V. Voor grotere signalen stijgt de vervorming natuurlijk iets.

De 6SN7 instellen als Kathodyne Fasedraaier

Bij het voeden van de fasedraaier speelt de verhouding tussen de anodeweerstand (Ra) en de kathodeweerstand (Rk) een belangrijke rol in zowel het lineaire bereik als de dissipatie van de buis. In deze setup ontvangen we een signaal van de triodehelft van 13,9 V piek aan de ingang van de fasedraaier en willen voorkomen dat de fasedraaier snel gaat clippen.

Van de drie mogelijke keuzes – 18 kΩ, 15 kΩ en 12 kΩ – geeft Ra = Rk = 12 kΩ het grootste voordeel wat betreft headroom:

• De anode‑kathode DC-spanning is het hoogst, waardoor de uitgangen de grootste amplitude kunnen leveren voordat clipping optreedt.

• Dit maximaliseert dus de lineaire werking van de fasedraaier.

Het nadeel van 12 kΩ is echter dat de stroom en de anode-dissipatie het hoogst zijn. Dit kan leiden tot hogere warmteontwikkeling en meer belasting van de buis.

Als we accepteren dat de volumepotmeter niet volledig open kan worden gedraaid – waardoor de amplitude van 13,9 V vóór de fasedraaier effectief wordt verminderd – zijn 15 kΩ of zelfs de originele 18 kΩ aantrekkelijkere keuzes. Deze waarden reduceren de dissipatie en de stroomsterkte, terwijl de fasedraaier nog steeds voldoende headroom behoudt voor normale signaalniveaus.

Kortom: 12 kΩ maximaliseert headroom, maar 15–18 kΩ zijn verstandiger voor normale werking met minder stroomverbruik en lagere dissipatie, mits de ingangsspanning enigszins wordt beperkt.

Ondersteunende berekening en argumenten (samengevat):

 (gebruikte parameters zijn: B+ = 335 V, ra ≈ 8,5 kΩ, gm ≈ 2,35 mA/V)

Voor kleine signalen levert de anode-uitgang (ongeveer):
Av ≈ gm · (Ra || ra). Met gm = 2,35 mA/V en ra = 8,5 kΩ

Deze waarden zijn veel groter dan de beschikbare DC-headroom (Vpk van 113–132 V). Dat betekent in praktijk alle drie de instellingen bij zo’n grote Vin massaal zullen oversturen/clippen in een lineair berekening.

Praktisch:

15 kΩ is een goed compromis. Meer drive en minder uitgangsimpedantie dan 18 Ωk, maar minder dissipatie dan 1 2kΩ. Met een iets gereduceerd ingangsignaal (bijv.10-30% attenuatie), is 15 kΩ de beste allround keuze.

De Instelling van de Driver 6N6P-I

De 6N6P-I fungeert in dit ontwerp als een eenvoudige, rechttoe-rechtaan versterkings-/drivertrap die voldoende ingangsspanning en stroom moet leveren aan de KT120 eindbuizen. Om de prestaties van deze trap te optimaliseren, heb ik ervoor gekozen om de kathodeweerstanden te bypassen met een condensator.

Het bypassen van de kathodeweerstand heeft twee belangrijke effecten:

Verhoging van de versterking en het verbeteren van de dynamiek: de AC-signalen zien geen negatieve terugkoppeling via de kathodeweerstand.

Vermindering van kathode-gerelateerde vervorming: vooral bij lage frequenties kan de buis hierdoor lineairder werken.

Voor wie maximale weergave van sub-laag en minimale kathode-gerelateerde vervorming nastreeft, is een condensatorwaarde van 150–200 µF aan te bevelen. Dit resulteert in een afsnijfrequentie van ongeveer 1 Hz, waardoor het volledige audiofrequentiespectrum ongehinderd door de kathodeweerstand wordt doorgegeven.

Het versterkerschema

De voeding

De voeding van deze versterker is opgebouwd als een CLCRCRC-filter, waarbij de traditionele choke is vervangen door een MEC-200 eChoke. Door de beperkte ruimte in het chassis waren deze eChokes praktisch de enige optie. In eerste instantie wilde ik gebruik maken van 'zero-loss' gelijkrichters, maar kwam er na een ongelukje achter, dat deze bij overbelasting in geleiding gaan i.p.v. te onderbreken. Dat is geen fijne eigenschap in een versterker en heb ze meteen vervangen door reguliere BYW96 diodes.

De filterwerking van dit ontwerp is uitstekend: het B+ voltage is bijzonder stabiel en “strak als een snaar”, wat essentieel is voor een ruisarme en dynamische eindversterker.

Een selectie van de specificaties van de gebruikte eChoke:

• Maximum DC-uitgangsstroom: 200 mA

• Maximum ingangsspanning: 800 V DC

• Equivalente inductantie: 10 H

• Maximum spanningsval bij Imax: 10 V

De NRS-voeding is bovendien zo ontworpen dat wanneer de loper van de instelpotmeter geen contact meer maakt, de NRS maximaal negatief wordt ingesteld. Dit beschermt de eindbuizen effectief tegen overbelasting of verkeerd ingestelde roosterspanningen.

Met een B+ van 524Vdc is het redelijk risicovol om 550Vdc condensatoren in de voeding op te nemen. Na veel zoekwerk, ben ik uitgekomen op KEMET 220uF/600Vdc Elco's. Deze worden gebruikt in laadcontrollers van EV's en hybride voertuigen..

Een ander aandachtspunt was het ontbreken van center taps op de gloeispanningen van de trafo’s. Dit is opgelost door twee 47 of 56 Ω weerstanden aan massa te leggen bij de laatste buisvoet in de spanningslijn, waardoor de gloeispanning effectief symmetrisch wordt, een nul-referentie krijgt en de buizen correct werken.

De uiteindelijke componentwaarden zijn terug te vinden in het onderstaande schema.

Het voedingsschema

De componenten

Weerstanden: waar dat kon de Takman REX75 1W carbon weerstanden gebruikt. Waar hogere wattages nodig waren zijn Kiwame 2W en 5W carbon weerstanden gebruikt.

Instelpotmeters: Vishay precisie potentiometers 50k (10 slagen)

Voedingscondensatoren: een mix van Unicon en KEMET, de koppelcondensatoren zijn russische KY40 PIO's

Buizen: Tungsol KT120, Novosibirsk 6N6P-I en Sylvania 6SN7GT Chrometops.

Dankwoord:

Het herontwerp van deze versterker is mede bepaald door de adviezen van Peter de Bruyn van Acoustic Dimension. Zijn input heeft geleid tot een aantal directe wijzigingen en heeft mij op het spoor gezet van een aantal fundamentele aanpassingen in de instellingen van de voortrap. Binnen de beperkingen van de beschikbare spanningen kon ik zo keuzes maken die zowel de lineaire werking van de buizen als de klankbalans optimaliseerden. Dit alles maakte van een goed klinkende versterker een fantastisch klinkende versterker!

De versterker staat hier te spelen met 7N7 Sylvania Chrometop buisjes, die (op de buispennen na) identiek zijn aan de onbetaalbaar geworden  6SN7GT Sylvania Chrometop buizen en daarom in  in convertors staan..