STAX Vacuum Tube Driver [Teil 3 – Output Stage Mod]

Im dritten Teil dieser Beitragsserie zum Thema STAX Vacuum Tube Driver widmen wir uns der Umsetzung einer Modifikation, die von James Lin (in der Forenwelt bekannt als JimL oder JimL11) in der audioxpress Ausgabe vom Juli 2017 beschrieben wurde. Es geht dieses mal konkret darum, einen positiven Einfluss auf die Schaltung zu nehmen mit dem Ziel, die technischen und klanglichen Eigenschaften des Systems zu verbessern.

Hier geht es übrigens zu den beiden bereits zuvor veröffentlichten Teilen:

STAX Vacuum Tube Driver [Teil 1 – Kleine Aufbereitung]

STAX Vacuum Tube Driver [Teil 2 – Technische Überholung]

Bitte unbedingt vor der Lektüre dieses dritten Teils lesen! Auch wenn ich im Umfang dieses Blogbeitrags natürlich aus meiner eigenen Perspektive berichten werde, gehen alle Credits im Zusammenhang mit diesem 3. Teil an Jim Lin und auch ein bisschen an Kevin Gilmore, bekannt aus Funk und Fernsehen – oder so 😉

Vor den Arbeiten am Gerät sollte es bereits seit mehreren Stunden ruhen, ohne mit dem Stromnetz verbunden zu sein. Ich lasse Geräte gerne über Nacht liegen, damit gefährliche Spannungen abgebaut werden können.

Die Netzspannung stellt eine potenziell tödliche Gefahr dar! Das Gehäuse darf nur von fachkundigen Personen geöffnet werden.

In Jims Publikation ist die Rede davon, zunächst alle Elkos zu ersetzen und anschließend Sicherheitswiderstände einzubauen. Beides habe ich bereits erledigt und im zweiten Teil dieser Reihe beschrieben. Ohne ein funktionierendes Grundsystem ergibt der Versuch einer Modifikation grundsätzlich keinen Sinn.  Ich rate dringend dazu, die Kosten und den Aufwand nicht zu scheuen, eine Überholung im Vorfeld vorzunehmen. Ausgangspunkt dieser Beschreibung ist ein einwandfreier SRM-T1, T1S oder 006T. Nachdem das also geklärt ist, kommt etwas Technik-Kunde ins Spiel.

Quelle: audioxpress.com Ausgabe Juli 2017

Beim Studium des Schaltplans eines SRM-T1 tritt schnell die Erkenntnis ein, dass zu jeder der Signalleitungen R+, L+, R- und L- je zwei große 33kOhm Widerstände (in Reihe) parallel geschaltet sind, die sogenannten Plate-Resistors bzw. Anodenwiderstände. Diese insgesamt 8 Widerstände sind im Inneren des Amps kaum zu übersehen, sie befinden sich nebeneinander, von vorne betrachtet, links neben den beiden Röhren der Ausgangsstufe.

Entsprechend zeigt sich, dass der Amp nicht nur den oder die angeschlossenen Kopfhörer antreibt, sondern parallel auch diese Anodenwiderstände (und die Feedback-Widerstände, auf die ich aber nicht weiter eingehen werde). Die Berechnung des „Signalstroms“ gemäß des ohm’schen Gesetzes bei maximalem Output ist denkbar einfach:

300V RMS * √2 = 424V

U = R * I   bzw.   U / R = I

424V / (2 * 33.000Ohm) = 0,0064A = 6,4mA

Zusammen mit den Feedbackwiderständen (2,8mA) ergibt sich ein Anteil des „Signalstroms“ von 9,2mA, der in rein ohm’schen Lasten „verloren“ geht – sprich, von der Schaltung über die einzelnen Sektionen der Röhren geliefert wird, dem Hörer aber nicht zur Verfügung steht, sondern als Abwärme an die Umgebung abgegeben wird. Je nach Phasenlage verbleiben so für den Hörer nur 0,5..3,0mA. Genau genommen betreiben diese Verstärker also vor allem Widerstände, die erfahrungsgemäß für die Wiedergabe von Klang nicht wirklich nutzbar sind… richtig? ;)

Jims Modifikation besteht darin, den Anodenstrom anstatt mit rein ohm’schen Widerständen durch elektronische Konstantstromquellen (nachfolgend auch CSS für „constant current source“ genannt) zu „erzeugen“. Die extrem hohe Impedanz dieser CSS von rund 150MOhm sorgt dafür, dass bei gleicher Versorgungspannung B+ von 320V praktisch kein „Signalstrom“ (nur knapp 3µA!) mehr verloren geht. Lediglich die 2,8mA für die Feedbackwiderstände gehen weiterhin „verloren“, was für die Funktion der Schaltung aber unvermeidbar ist. Bei einem „Gesamtsignalstrom“ von maximal ca. 9,7mA bleiben so also rund 6,8..9,2mA für angeschlossene Hörer übrig – wiederum, je nach Phasenlage.

Die Berechnung des Stroms, den jede der 4 einzelnen CSS bei Verwendung der 6CG7 Standard-Röhren liefern muss, ist relativ einfach:

U = R * I   bzw.   U / R = I

320V / (2 * 33.000Ohm) = 0,0048A = 4,8mA, wobei Jim in seinem Bericht aufgerundet einen Strom von 4,9mA nennt.

Auf Basis von 2 N-channel MOSFETs, wenigen Widerständen (einer fehlt im Bild leider), einem Kühlkörper und etwas Kleinkram wird eine solche CSS in vierfacher Ausführung hergestellt. Während im Bericht davon die Rede ist, die Bauteile einfach zusammenzulöten (ein „hard wire“ Aufbau sozusagen) und die Stromregler isoliert auf einen großen Kühlkörper zu schrauben, habe ich entschieden, Jims Schaltungsvorschlag zusammen mit geeigneten Kühlkörpern auf einem kleinen, schlanken PCB unterzubringen. Dies ist das entsprechende (korrigierte) Schema, das eine von vier CSS zeigt:

Quelle: audioxpress.com Ausgabe Juli 2017

Der unbeschriftete Widerstand nahe des Ausgangs zur Plate wird in Jims Beschreibung durch eine Reihenschaltung eines fixen Widerstands (261 Ohm) und eines „set-and-forget“ Trimpots (100 Ohm) ersetzt. Diese Konfiguration ist nötig, da die MOSFETs fertigungsbedingt nicht exakt identisch ausfallen können. Die Unterschiede können laut Beschreibung bis zu 20% betragen. Ich musste jedoch feststellen, dass diese Bauteile sich offensichtlich noch deutlich anders verhalten als in Jims Fall. Mir war wichtig, den Strom mindestens im Bereich 4,8…6,1mA einstellen zu können. Warum mir das wichtig war, erfahrt ihr im nächsten Teil dieser Reihe :mrgreen: Am sichersten ist es jedenfalls, fixe 250 Ohm mit einem 200 Ohm Trimpot zu kombinieren. Damit ist ein enorm großer Einstellbereich erreichbar, die Lösung ist preislich außerdem neutral gegenüber dem ursprünglichen Vorschlag.

Wer – wie ich – sehr wenig Übung im Layouten von Schaltungen auf PCBs hat, braucht vielleicht den ein oder anderen oder ganz anderen Versuch mehr… Ich benutze dafür übrigens die Freeware Fritzing von Aisler. Kann ich durchweg empfehlen – nein, ich bekomme kein Geld von den Jungs, sondern bezahle meine PCBs. Auch die Boards für meinen RelayAudioSwitch hatte ich mit dieser Software entwickelt und bei Aisler bestellt.

Diese Ansätze für PCBs wurden es z.B. schon mal nicht, die sind nämlich ziemlicher Mist:

Als für das Layouten problematisch stellten sich die Kühlkörper für den größeren der beiden MOSFETs heraus, für die ich mich bereits im Vorfeld entschieden hatte. Diese sind aber dringend nötig, jede CSS erzeugt später eine gewisse thermische Verlustleistung. Irgendwann (in diesem Fall nach einigen Stunden) fällt dann schließlich der Groschen und ein – zunächst – virtuelles PCB entsteht, das alle meine Anforderungen erfüllen kann und auch an den dafür vorgesehenen Platz z.B. im Inneren eines T1 passt. Dies ist – ganz offensichtlich – die Unterseite dieses PCBs:

Die Abmessungen betragen schlanke 120 x 31mm. Wie zu sehen ist, reicht für diese relativ wenigen Bauteile ein einseitig mit Kupfer belegtes PCB ohne Massefüllung. Die Widerstände werde ich aus Platzgründen dennoch auf der Unterseite anbringen, um mögliche Kollisionen mit den Kühlkörpern zu vermeiden. Mit etwas Phantasie kann man im unteren Bereich die durchgehende Leiterbahn erkennen, die alle CCS mit der Versorgungsspannung B+ verbindet. Insgesamt werden später nur 5 kurze Kabel benötigt, um das neue PCB mit dem bestehenden PCB des Amps zu verbinden. Zu sehen sind außerdem viele Löcher, die die natürliche Konvektion um die Kühlkörper herum begünstigen sollen. Die einzelnen Finnen der Kühlkörper ragen darum sogar über das PCB hinaus. Alleine durch die Röhren wird es doch ziemlich warm in so einem STAX Amp und irgendwo muss die Wärme schließlich hin…

So sieht das tatsächliche PCB dann schließlich aus, die Ähnlichkeit zum Entwurf ist verblüffend ;):

Wie bereits beschrieben, beginnt der Aufbau damit, die Widerstände auf der Rückseite zu platzieren und zu verlöten. Man kann sich auch ruhig das Leben einfacher machen und überall 1/4W Metallschichtwiderstände verwenden. Diese (braunen) 1/2W Widerstände hatte ich noch von einem anderen Vorhaben übrig.

Auf der Vorderseite werden dann die 4 kleineren DN2540 MOSFETS und die 4 Trimpots platziert.

Anschließend werden an den 4 Lötaugen „Plate“ und an dem einen Lötauge „B+“ je ein ca. 10cm langes Stück einer geeigneten Leitung angelötet. Diese insgesamt 5 Leitungen stellen später die Verbindung zum Haupt-PCB des Amps dar und können je nach Bedarf gekürzt werden.

Danach müssen aus je einem Kühlkörper, einem Keramik-Isolator, einer M3x10 Schraube, einer M3 Mutter, zwei Isolierscheiben, einem 10M90S MOSFET und etwas Wärmeleitpaste eine kleine Baugruppe vormontiert werden. Hier sieht man alle dafür benötigten Teile für alle 4 CCS Module:

Die Wärmeleitpaste muss in einer möglichst dünnen Schicht sowohl zwischen dem Keramik-Isolator und dem Kühlkörper als auch zwischen Keramik-Isolator und MOSFET eingebracht werden. Wer schonmal einen CPU-Kühler gewechselt hat, hat eine gute Vorstellung davon, was für eine Fummelarbeit das bei solch kleinen und leichten Bauteilen sein kann. Die runden Isolierscheiben kommen unter den Schraubenkopf bzw. unter die Mutter. Damit ist sichergestellt, dass Schraube, Kühlkörper und MOSFET voneinander isoliert sind, was sehr wichtig ist. Bei diesem MOSFET ist die hintere Kühlfahne nämlich intern mit dem positiven Terminal verbunden. Die Schraube nicht zu fest anziehen, ansonsten könnten Bauteile beschädigt werden.

Anschließend werden die 3 Beine des Mosfets leicht nach vorne gebogen. Somit passen sowohl die Beine als auch die Bolzen der Kühlkörper in die dafür vorgesehenen Lötaugen auf dem PCB. Anschließend werden alle 4 Kühlkörper bei hoher Temperatur des Lötkolbens mit den Haltepunkten auf dem Board verlötet, danach bei geringerer Hitze die Beine der MOSFETs. Schließlich sieht ein fertig bestücktes Board so aus:

Und so unscheinbar sieht das Kunstwerk von schräg seitlich oben aus:

Wie gefühlt immer in der STAX-Technik-Welt muss jetzt ein Abgleich vorgenommen werden. Dieses Mal ist das Vorgehen relativ einfach und ungefährlich, vorausgesetzt, man verfügt über das richtige Werkzeug und geeignete Hilfsmittel. Da die CSS so unheimlich hochohmig sind, ist es relativ egal mit welcher Spannung der Abgleich vorgenommen wird. Jim nennt einen Bereich von 15…20V. Ich verwende dafür ein Netzteil, das ich aus meiner Bastelkiste gezogen habe. An die 4 Abgänge für die Anoden (Plates) wird jeweils ein 100 Ohm Widerstand gelötet. Zu diesem Zeitpunkt werden die exakten Widerstandswerte notiert, sie werden später gebraucht. Die über diese Widerstände abfallende Spannung gibt während des Abgleichs Auskunft über die Regelgröße, den einzustellenden Strom. Die Minus-Leitung des Netzteils wird an die 4 Widerstände gelötet, die Plus-Leitung an die spätere B+ Zuleitung. Im folgenden Bild lässt sich der Aufbau erkennen.

Schließlich wird das Netzteil eingeschaltet und die Potis justiert. In diesem geschilderten Fall liefert das Steckernetzteil im Betrieb eine Spannung von ca. 28V. Die Berechnung, welche Spannung über die 100 Ohm Messwiderstände abfallen muss, ist sehr einfach, sie sei an diesem Beispiel erklärt:

U = R * I

100,5Ohm * 0,0049A = 0,49245V

Wenn über diesen Messwiderstand von 100,5 Ohm also 0,49245V abfallen, liefert die CSS einen Strom von 4,9mA, wie gewünscht. Das Messen der Spannung erfolgt per DMM über je einen der Messwiderstände, das Einstellen mit einem dünnen Schlitzschraubendreher an dem entsprechenden Poti. Diese Justage wird nacheinander für alle 4 CCS vorgenommen. Man braucht dabei nicht auf die vierte Nachkommastelle genau arbeiten, das dient hier nur der Veranschaulichung. Danach können das Netzteil und die Messwiderstände entfernt werden, die Potis müssen natürlich in ihrer jeweiligen Stellung verbleiben.

Nach dem Entfernen der bisher eingesetzten Anodenwiderstände und dem Verlegen der Leitungen für die Bias-Spannung schaut es im Inneren eines T1 so aus:

Und angeschlossen an die Schaltung des Verstärkers fügt sich das neue CSS-Board schließlich relativ reibungsarm in den neu geschaffenen Raum:

Solange sichergestellt ist, dass es zu keinen Kurzschlüssen und ungewollten Verbindungen kommt, kann jetzt ein erster Testlauf unternommen werden. Es ist natürlich etwas Mut gefragt, den Verstärker in diesem Zustand in Betrieb zu nehmen, es soll sich aber lohnen, das kann ich euch versprechen…

Sobald der Amp auf Temperatur gekommen ist, muss jetzt sorgsam ein erneuter Abgleich der Balance- und Offsetwerte vorgenommen werden, wie im zweiten Teil dieser Reihe beschrieben.

Für das dauerhafte Anbringen dieses kleinen PCBs im Inneren eines STAX Amps habe ich mir eine weitere, kleine Besonderheit einfallen lassen, nämlich ein „relativ einfach“ 3D-druckbares Teil:

Zwei dieser Winkel (in der Darstellung ist offensichtlich ein CAD-Modell zu sehen) können gemeinschaftlich das neue PCB im Gehäuse halten, ohne, dass dieses durch Bohrungen etc. beschädigt werden müsste. Die zur Verfügung stehende Bauhöhe des Gehäuses wird dabei ideal ausgenutzt. Der Abstand des CSS-PCBs zur Hauptplatine ist größtmöglich gewählt. Das CSS-PCB wird einfach mit seinen beiden Enden in je eine Halteklammer geschoben. Die Aussparung der Klammer an der Rückseite, in der Darstellung oben, rechts, lässt Raum für im Gehäuse verlegte Kabel. Die Halteklammern werden mit wenigen Tupfen eines lösungsmittelfreien Klebers sowohl am CSS-PCB als auch am linken Seitenblech des Gehäuses fixiert. Somit ist sichergestellt, dass der gesamte Umbau vollständig reversibel ist.

So schauen die Innereien des T1 inkl. CSS-Mod schließlich aus:

Die grauen Halterungen befanden sich zum Zeitpunkt dieser Aufnahme noch im Prototypen-Stadium.

Kommen wir zum eigentlich interessanten Teil. Welche Folgen zieht dieser ganze Aufwand nach sich? Auf der technischen Seite ergibt sich eine Steigerung der Leistung, genauer gesagt des Signalstroms, der dem Hörer (zu jeder Zeit) zur Verfügung steht. Durch das Entfernen der (rein ohm’schen) Anodenwiderstände geht ein deutlich geringerer Anteil des Signalstroms ungenutzt als Abwärme verloren. Das sorgt dafür, dass die Röhren der Ausgangsstufe weniger belastet werden, was zu einer weiteren Verringerung der ohnehin schon relativ geringen Verzerrungen führt. Gleichzeitig werden ganze 2dB Headroom (zu Deutsch: Aussteuerungsreserve) gewonnen. Das sieht nach sehr wenig aus, ist aber in Anbetracht des noch relativ überschaubaren Aufwandes eine deutliche Verbesserung. Insofern wundert es mich nicht, dass die Jungs von Mjölnir Audio beim Design ihrer Tube Amps ebenfalls diese Variante der Erzeugung des Anodenstroms implementiert haben.

 

Und nun die Gretchenfrage: Ist der Eingriff hörbar?

Erstaunlicherweise ist meine Antwort sehr klar: JA. Das hatte ich so nicht erwartet. Ich war und bin selbst immer und grundsätzlich skeptisch, was Verstärkerklang in jeder Form angeht. Die hier beschriebene Verbesserung verbuche ich allerdings nicht als (nicht mess-, sondern nur mit Goldohren hörbaren) Verstärkerklang im eigentlichen Sinne, sondern als tatsächlich mess- und hörbare Verbesserung des Ausgangssignals. Das allseits bekannte Geschwurbel über weggezogene Vorhänge und aus der Küche gelaufenen PartnerInnen erspare ich euch an dieser Stelle ;)

Als erster Kandidat durfte mein SR-303 Classic (im Serienzustand) ran. Selbst bei diesem einfachsten Modell aller meiner Lambdas wird der positive Einfluss der Modifikation sofort klar: Kontrolle, Dynamik und Ordnung nehmen zu. Auch der direkte Vergleich zu einem bereits überholten aber nicht modifizierten SRM-T1 über mehrere Tage bestätigt diesen zunächst spontanen Eindruck. Anhand dieser Stelle des Songs Anesthetize von Porcupine Tree wird der Zugewinn an Qualität besonders transparent erkennbar. Die Kombination aus Gitarrenriff und Breaks im Drumset zeigen Schwächen hinsichtlich Kontrolle schonungslos auf. und Erstaunlicherweise profitieren Signature, Nova Signature und insbesondere der SR-404 Limited noch stärker als der SR-303 von diesem Umbau, was ich mir nicht schlüssig erklären kann, wenn ich ehrlich bin. Jims Aussage nach, sorgt der Mod dafür, dass sogar der so kritisch zu betreibende SR-007 damit adäquat betrieben werden. Dieser Versuch steht von meiner Seite allerdings aus…

Fazit: Wer einen der o.g. Amps zur Hand hat und sich mit dem ganzen technischen Aufwand auseinander setzen möchte, sollte wirklich in Betracht ziehen, eine saubere, vollständige Überholung und die hier beschriebene Modifikation – sorgfältig und nicht gepfuscht – umzusetzen.

 

Kommando für alle, die bis hierhin durchgehalten haben und ihre(n) Amp(s) umgebaut haben: Freuen :bier:

 

Platz für Fragen, Anregungen, Rückmeldungen, etc. ist im entsprechenden Thread des Forums: STAX Tube Driver: Instandhaltung & Modifikation

Dominik

Dominik

Moderator Professor X
Überzeugter DIYer, Kopfhörersympathisant, Musiker, Blogger
Dominik