LeBong | 6SL7-Phonovorstufe

Ein Bericht über mein Phonoentzerrer-Vorverstärker-Projekt mit der 6SL7
© Johannes LeBong, Karlsruhe, den 07. 10. 2003
Homepage: lebong.de


Prolog

Auch ohne genauere Kenntnis der technischen Zusammenhänge merken immer mehr Musikliebhaber, dass der stringente Übertragungsweg einer Analogkette die Signalverfälschungen digitaler Wandlerstufen vermeidet. Meine CD-Player, die ich in den letzten Jahren aus reiner Bequemlichkeit als Tonquellen benutzt hatte, passten plötzlich nicht mehr so recht ins Bild.

Ich kam also unter Zugzwang, meine Audio-Zusammenstellungen zu verändern. Nach Jahrzehnten Vinyl-Pause leistete ich mir also wieder ein paar schöne mechanische Plattenspieler aus den sechziger- und siebziger Jahren. Im Moment sind das hauptsächlich THORENS-Klassiker. Auf dem oben stehenden Bild sieht man meinen TD124 MK I.

Erfreulicherweise sind auch heute noch genug Langspielplatten am Markt. Seit etwa zwei Jahren steigen die Nachfrage und der Absatz der schwarzen Scheiben sehr deutlich.

Höchste Zeit also, mich mit der Konzeption einer Phonostage für meine Trioden-Eintakter zu befassen. Natürlich kam für mich nur eine mit Trioden bestückte Phonosektion in Betracht. Moderne, transistorisierte Phono-Vorverstärker kaufte ich mir zusätzlich als Zwischenlösung für eine Übergangszeit. Sie sollten mir nach der Fertigstellung meines Prototyps als Referenzgeräte dienen, hauptsächlich um daran meine Entwicklung im direkten Hörvergleich zu messen.


Begriffsbestimmung - Phono-Vorverstärker mit RIAA-Entzerrung

Auf der Vinyl-Schallplatte sind die Tonsignale des linken und rechten Stereo-Kanals in die Flanken einer durchgehenden Rille in den Kunststoff eingeprägt. Beim Abspielen folgt die Plattenspielernadel dieser Rille. Durch die Bewegung des Abtasters entlang dieser Tonspur entstehen mechanische Auslenkungen des flexibel gelagerten Nadelträgers. Diese mechanischen Schwingungen werden im Tonabnehmersystem, mittels Magnet und Spule, elektrodynamisch in schwache elektrische Signale umgewandelt.

Tiefe Tonfrequenzen mit großen Amplituden würden prinzipiell viel Platz auf diesem Tonträger beanspruchen und zudem den Abtaster beziehungsweise den Schneidestichel bei der Schallplattenaufnahme zu stark auslenken. Andererseits wären die Amplituden der höheren Frequenzen normalerweise so klein, dass sie nur schwerlich durch die Nadel abtastbar oder schneidbar wären.

Um dieses Tonaufzeichnungsverfahren technisch in den Griff zu bekommen, werden bei jeder Schallplattenaufnahme die Höhen künstlich verstärkt und die Bässe abgeschwächt. Diese Frequenz-Vorverzerrung ist als so genannte RIAA-Schneidkennlinie spezifiziert. Die Aufgabe eines Entzerrer-Vorverstärkers besteht darin, den verbogenen Frequenzganz wieder linear zu machen. Da magnetische Tonabnehmer nur 2 bis 5 mV Ausgangsspannung liefern, Moving-Coil-Systeme gar nur ein Zehntel bis Zwanzigstel davon, hebt ein Phono-Vorverstärker zudem den Signalpegel auf den Level eines typischen Line-Eingangs an.

Die Frequenzgangkurve der betreffenden Korrekturglieder ist als verbindlicher Standard in den Fünfziger Jahren durch die Record Industry Association of America (RIAA) definiert worden. Davor gab es unterschiedliche Vorschriften. Beispielsweise RCA, DIN33, DIN78, JEDEC, 250, 500 und unzählige mehr - auch Hausnormen.

Die RIAA hat eine Schneidkennlinie festgelegt, die der Entzerrer durch zwei Tiefpässe bei 50 und 2122 Hz und einen Hochpass bei 500 Hz kompensieren muss. Zuletzt hat das IEC (International Electrotechnical Committee) eine modifizierte Kennlinie für die Entzerrung - wohlgemerkt nicht für die Verzerrung beim Schneidevorgang - empfohlen, die Frequenzen unter 20 Hz mit 12dB  Abfall dämpft. Das wird mit einem so genannten Hochpass erreicht. Man kann hier auch Rumpelfilter dazu sagen, weil so das Rumpeln des Plattentellerlagers sowie niederfrequente Störungen durch den Höhenschlag einer Platte abgeschwächt werden.

Sowohl die Systemhersteller als auch die Verstärkerhersteller weichen nach eigenem Belieben teilweise weit von der Norm ab. Eine normale Plattenspielerentzerrung, wie man sie in den handelsüblichen Hifi-Geräten findet, kann man also bestenfalls als 'ungefähr passend' bezeichnen. Nur in einigen Studioentzerren findet man umschaltbare Equalizer mit verschieden Zeitkonstanten und variabler Eingangsimpedanz um damit verschiedenen Aufnahmen und Tonabnehmern flexibel gerecht zu werden.


Kennlinie lt. RIAA

Mein RIAA-Preamp Konzept

Bei meinen Recherchen zu den vorhergehenden Verstärkerprojekten hatte ich schon RIAA-Schaltungen en masse gesichtet. Kaum eine entsprach meinen Schönheitssinn. Am liebsten wollte ich etwas mit GT-Oktalröhren bauen, weil die US-Originale für mich einfach wohlproportionierte und gutmütige Röhren sind. In 'Old Europe' werden fast ausnahmslos Novalröhren, wie die ECC83 in Phono-Stufen verbaut und mancher 'Experte' bestand darauf: so etwas wie die 6SL7-Doppeltriode, die ich diesmal im Visier hatte, sei schlichtweg ungeeignet für mein Vorhaben.

In Blaupausen von Industriegeräten, die beispielsweise von den Firmen T.A.C., CAYIN (China), A.E.-Inc., Cary Audio (USA) stammten, fand ich schließlich doch noch meine bevorzugten Oktalröhren. Ganz abwegig war meine Lieblingsvorstellung also nicht. Allerdings hatten diese Vorstufen alle noch eine Linestufe, d.h. noch eine Ausgangsröhre um längere Kabel zu treiben, beziehungsweise um damit weniger hochohmige Folgestufen zu bedienen. Diese Röhre wollte ich nicht unbedingt im Signalweg haben. Frei nach der Devise 'Weniger ist mehr'.


Das Foto zeigt eine 6SL7WGT 'JAN'. Das Kürzel am Schluss steht für: Joint Army Navy.
Es ist also eine nach Spezifikationen des amerikanischen Militärs gefertigte Röhre (hier von der Firma Philips)

6SN7-Röhren verbaute ich ja schon früher in meinen SE-Monoblocks und die verwandten 6SL7 in der Phonostage. Auf diese Weise bleibe ich mit meiner ersten Generation von Röhrenverstärkern stilistisch konsistent auf Linie.

Es gibt ja ziemlich viele Faktoren zu bedenken, wenn man eine Röhre auswählt. Prinzipiell sinkt zum Beispiel das Rauschen einer Röhre, wenn deren Steilheit größer ist. Gleichzeitig ist eine steilere Röhre aber sehr viel anfälliger gegen Mikrofonie. Die 6SL7 erweist sich als relativ guter Kompromiss zwischen diesen beiden sich widersprechenden Forderungen.

Damit hatte ich mich in der Röhrenfrage festgelegt. Als nächstes standen die verschiedenen Techniken zu Auswahl, die Schneidekennlinien-Entzerrung vorzunehmen:

1.  mittels frequenzabhängiger Gegenkopplung,

2.  passiv über L-C-R Filter,

3.  per R-C-Korrekturnetzwerk.

Ich entschied mich für die letztere Variante. Wie ich dazu kam? In den folgenden Abschnitten gehe ich genauer darauf ein.
 


1. Frequenzabhängige Gegenkopplung

Frequenzabhängige Gegenkopplung würde zwar die höchste Verstärkung - oder besser gesagt - die geringsten Verluste mit sich bringen, scheint mir aber am schwierigsten kontrollierbar, ohne aufwändige Messmittel. Empfindlichkeit gegenüber unerwünschtem Radioempfang und anderen hochfrequenten Störungen wäre eine weitere prinzipielle Schwäche dieses Konzepts, ebenso wie eine Instabilitätstendenz.

Hinzu kommt, dass in audiophilen Kreisen die Gegenkopplung generell eher unbeliebt ist. Ich verzichte ganz gerne auch in meinen anderen Triodenverstärkern darauf. Die Feedback-Schleife verschlechtert das dynamische Verhalten und macht den Klirrfaktor frequenzabhängig. Konkret gesagt: hoch bei niedrigen Frequenzen, niedrig im Hochtonbereich.

Hierzu eine Marginalie: Wenn man bedenkt, was in den fünfziger Jahren an Bauteilqualitäten für die Serienproduktion von Consumer-Audiogeräten genommen wurde,  war eine genaue Entzerrung und Kanalgleichheit mit solchen Röhrengeräten wohl viel mehr Wunsch als Realität. Es ist heute durchaus möglich, diese Geräte weitaus perfekter zu reproduzieren, als sie im Originalzustand waren. Und das ist gut so!

Man hatte früher praktisch nur Kohleschichtwiderstände zur Verfügung. Diese haben normalerweise nicht nur große Toleranzen (10%) und rauschen relativ stark, vor allen Dingen ist ihr Temperaturkoeffizient so groß, dass schon eine verhältnismäßig geringe Erwärmung den Widerstandswert deutlich verkleinert. Bei den damaligen Kondensatoren verhielt es sich ganz ähnlich: Bei Ölpapierkondensatoren sind Abweichungen von mindestens 10% der Nennkapazität normal. Und bei Glimmer- oder Styroflex-Kondensatoren war damals bei einer Genauigkeit von 5% Schluss.
 


2. L-C-R RIAA-Filter-Module

Solche Equalizer findet man typischerweise nur ganz selten in hochwertigen Studio-Entzerrern. Professionell vorgefertigte L-C-R RIAA-Filter-Module kann man vereinzelt kaufen und quasi als Black-Box zwischen zwei Triodenstufen einsetzen. Bekannt in der Selbstbauerszene wurde ein Modul von TANGO (Japan), das allerdings heute nicht mehr hergestellt wird. Ähnliche Units verwenden Firmen wie AUDIO-NOTE, WAVAC und noch ein paar Hersteller aus der Highend-Domäne in ihren Vorstufen.

Für mein erstes Projekt dieser Art war mir so ein Baustein einerseits zu kostspielig und andererseits zu umständlich zu beschaffen. Ein Nachbau auf der Basis von Induktivitäten ist im Prinzip sicher reizvoll, bei meinem ersten Projekt dieser Art wollte ich aber keine unabwägbaren Risiken eingehen. Der Hauptvorteil einer gelungenen L-C-R-Schaltung dürfte wohl der theoretisch geringere Rauschpegel sein - wenn es überhaupt einen Vorteil gibt.

Sakuma San arbeitet in seinen Phonoverstärkern übrigens mit einstellbaren Tamura-Induktivitäten und erfindet damit seine Phonoentzerrer quasi neu. Er bemüht sich dabei nicht die Bohne um die Einhaltung von Normen, sondern hat immer den gesamten Klang der Kette im Sinn. Er dürfte der Einzige sein, der Drosselspulen, die ursprünglich einmal für Röhren-Video-Kameras entwickelt wurden, in seinen Phonoentzerrern verwendet. (Siehe auch die Seite 'System Charakteristika' auf meiner deutschen Sakuma Website)
 


3. Passive R-C-Netzwerke

Passive R-C-Netzwerke fand ich, alles in allem, am häufigsten in Industriegeräten und in den alten Application Notes der Röhrenhersteller. Man benötigt nur eine handvoll preiswerte, eng tolerierte Widerstände und Kondensatoren, um die drei - oder wenn man die absolute Perfektion sucht - vier Zeitkonstanten hinzubiegen.

Es ist ein Vorteil der modernen Warenwelt: man bekommt Bauteile in einer Qualität, von der die Entwickler in der Röhrenära nur träumen konnten. Bei dieser Schaltung ist es der Knackpunkt. Sie lebt quasi von der Qualität und den geringen Toleranzen der verwendeten Bauteile. Sogar die Röhrenparameter haben einen merklichen Einfluss auf das Verhalten der Entzerrung. Alterung und Exemplarstreuung gehen direkt in die Entzerrerkennlinie ein - genauer gesagt - verfälschen diese entsprechend. Ich empfehle daher eine strenge Selektion und Paarung der Röhren und eine Überwachung der Brenndauer. Bei dieser passiven Entzerrervariante bleibt zudem einiges an Verstärkung auf der Strecke. Ob zwei Triodenstufen ausreichen, hängt von dem Rest der Kette ab - bei mir passt's.

Ein ideales RIAA-Konzept gibt es meines Erachtens nicht, deshalb habe ich die drei Grundmuster vorab einmal schlaglichtartig beleuchtet. Man schiebt die Kompromisse eigentlich immer nur auf dem Tisch herum, mal liegen sie da, mal dort.

Meinen ersten Schaltungsentwurf skizzierte ich vorab nach den Schemata der anfangs oben genannten, kommerziellen Geräte aus China und USA. Bei meinen weiteren Überlegungen konzentrierte ich mich nunmehr auf dieses Muster mit der 6SL7 Röhre.

Zu einem späteren Zeitpunkt, bei der Diskussion meines Entwurfs in Internetforen, machte man mich von verschieden Seiten darauf aufmerksam, dass im RCA Radiotron Manual (USA) ein praktisch identischer Schaltungsvorschlag zu finden ist. (Siehe folgende Abbildung)

Diese Zusatzinformation rundet für mich die Chronik ab. So lässt sich auch diesmal wieder die Entstehungsgeschichte meiner Schaltung historisch zurückverfolgen. Daneben wird deutlich, dass einige aktuell produzierte, moderne Röhrengeräte, denen man z.B. in der Audio-Presse eine überragende Klangqualität nachsagt, auf uralten Application Notes aus vergilbten Handbüchern basieren.

 

In der betreffenden RCA Application Note (Abb.) ist die Röhre 7025 angegeben, die berechnungsmäßig der 6SL7 gleich oder ähnlich kommt. Laut einer Simulation anhand von genauen mathematischen Modellen mit PSPICE, die Dipl. Ing. Hans-Peter Völpel aus Karlsruhe für mich durchführte, beträgt die Abweichung von der RIAA-Kurve dieser Schaltung mit der 6SL7 maximal 0,6 dB, der Low-Frequency-Cutoff liegt bei 18 Hz.

Der Mathematiker und Röhrenfreund Dr. Gerd Weissenborn aus Berlin, der sich ebenfalls engagiert an der theoretischen Diskussion dieser klassischen Schaltung beteiligt hatte, stimmte dem letztlich zu und ergänzte die Berechnungen noch um folgende Aussage: "Die angegebene RIAA 470k -- ( (22k || 3,3n) + 10n ) ist schon ziemlich genau. Genauer als ich erst vermutete. Die dadurch erzielten Zeitkonstanten sind 3054 (statt 3180), 289 (statt 318) und 70 (statt 75), alles in µs. Die genauen Werte wären 22,814k anstatt 22k, 3,559nF anstatt 3,3nF und 10,379nF anstatt 10nF, vorausgesetzt, dass die 470k bleiben..."

Letztlich ist die Genauigkeit der RIAA Korrektur nach meiner Erfahrung von untergeordneter Bedeutung für das Hörerlebnis.

Allen Personen, die sich am Brainstorming in der Konzeptionsphase konstruktiv beteiligt haben, gilt mein besonderer Dank.
 


Meine Schaltung

Am Ende ist eine unkomplizierte Geschichte herausgekommen: ein passives R-C-Entzerrernetzwerk zwischen zwei Triodenstufen. Eine Schaltung nach dem oben stehenden klassischem Vorbild.

Vom Netzteil habe ich keine Reinzeichnung angefertigt. Es arbeitet im Hochspannungsteil mit Siliziumdioden als Gleichrichter und hochkapazitiver C-R-C Siebung mit insgesamt vier Stufen (2 x 560µ / 4 x 470µ). Es liefert saubere 170 Volt an die Anoden. Die Heizspannung von 12 V wird ebenfalls gleichgerichtet und geglättet. Sie ist nicht geregelt.


Anpassung MM/MC

In der ersten Ausbaustufe meines Phonoverstärkers hatte ich den Eingang für MM-Systeme (Standard: 47k/150p) ausgelegt. So wie die Eingangsbeschaltung auf meinen Schaltplan eingezeichnet ist, bezieht sie sich auf die Variante für MC-Tonabnehmer.

Die ersten Hörtests machte ich nämlich mit Bedacht noch ohne Signaltransformator. Ich wollte in dieser Phase alle Irritationen vermeiden, die die Anpassung eines MC-Tonabnehmers über Trafo manchmal mit sich bringen kann.

Das funktionierte alles höchst erfreulich. Bei einer Pegeleinstellung, die einer höheren Abhörlautstärke entspricht, war weder Brummen noch Rauschen hörbar. Die Kette an der ich das probierte, bestand aus einem THORENS TD-145 Plattenspieler mit AT-100E Tonabnehmer, meinen 300B-Verstärkern und den ALTEC-A7 'Voice of the theatre' Lautsprechern mit einer relativ hohen Empfindlichkeit  von 97dB W/m. Einen geringen Störpegel zu erreichen, hatte ich  mir als besonders schwierig vorgestellt, da man es mit einer hohen Verstärkung und sehr kleinen Signalpegeln zu tun hat. Neben der Bereitstellung einer brummfreien Anodenspannung ist besonders Masseführung beim Verdrahten eines solchen Verstärkers sehr kritisch.

Nach dieser Bewährungsprobe machte ich mich an die etwas kniffeligere Anpassung für meinen Moving Coil Pickup DENON DL-103.

Wie funktioniert das? Ein MC-Eingangsübertrager spiegelt die Quellimpedanz des Tonabnehmers mit dem Quadrat des Übersetzungsverhältnisses auf den Eingang des Verstärkers. Umgekehrt bildet sich die Eingangsimpedanz der Vorstufe in Richtung Tonabnehmer ab. Mein Signaltransformator mit der Übersetzung 1:15 spiegelt also die 40 Ohm des DENON DL-103 an seiner Primärseite in 40 Ohm x 15² = 9000 Ohm an seine Sekundärseite. Die Ausgangsspannung des MC Tonabnehmers wird zudem mit dem gleichen Übersetzungsverhältnis heraufgesetzt.


Gehäusedesign und Bauteile

Bei meinem ersten Phonoverstärker habe ich mich noch nicht besonders um eine individuelle Gehäusegestaltung bemüht. Das Chassis samt Netztrafo bezog ich fix und fertig vorgestanzt von einem Hersteller aus USA. Nur die Frontplatte samt Schriftzug ist von mir, ich ließ sie bei einem Fachbetrieb fräsen.

Alle Widerstände und Kondensatoren habe ich vor dem Einlöten penibel einzeln ausgemessen. Der Drahtverhau ist herkömmlich über Lötösenleisten ausgeführt. Besondere Drähte habe ich nicht genommen. Röhren habe ich diverse NOS-Sorten zur Auswahl: RCA 'MIL-Specs' - sind eingesteckt im Bild oben. Daneben probierte ich noch Tuben von SYLVANIA und MULLARD.


Mein Standard-Tonabnehmer

Das DENON DL-103 ist ein Top-Tonabnehmer mit einem ungewöhnlich guten Preis-Leistungsverhältnis. Darüber sind sind sich sogar ausnahmsweise einmal viele Amateure und Professionals einig. Es wurde unter Federführung der japanischen Rundfunk Gesellschaft entwickelt und jahrzehntelang als Standard in Rundfunkstationen benutzt. 1963 kam es auf den Markt. Man kann für gute Tonabnehmer selbstverständlich noch weitaus mehr Geld hinlegen. Zum Beispiel für eine Tonkapsel von EMT oder für das legendäre ORTOFON SPU. Das sind ebenfalls Profi-Tonabnehmer die ich schätze.


Trafo-Auswahl

Jene auf dem oben stehenden Bild stammen von AMPLIMO und haben die Typenbezeichnung TM3. Das wäre mein Geheimtipp für Bastler mit kleinem Budget. Ich habe sie anfangs einmal probiert und sie klingen meiner Meinung nach für den Preis wirklich ganz ordentlich. Ein wichtiger Hinweis zur Anpassung soll aber nicht verschwiegen werden. Aufgrund der hohen Millerkapazität der 6SL7 Eingangsröhre war es speziell beim TM3 erforderlich, den Eingangswiderstand (typisch 47k zwischen Gitter und Masse) wegzulassen. Exakt so, wie ich es in meinem Schaltplan gezeichnet habe. Nur wenn man es genauso macht, ergibt sich ein vernünftiger Frequenzgang.

Ursprünglich hatte ich mir vorgestellt, die Eingangsübertrager direkt in das Gehäuse des Vorverstärkers zu integrieren. Dann ließ ich es aber, weil ich mit einem externen Unit flexibler bin. Zum Testen baute ich die Minitrafos in verlötete, HF-dichte Weißblechkästchen ein, die auch magnetisch ganz gut schirmen.

In dieser geöffneten Testbox sieht man beispielsweise ein Pärchen Low-Cost Übertrager der Firma Pikatron Modell ÜP 3096. Diese für Printmontage vorgesehenen Würfelchen könnten ebenfalls eine sparsame Alternative sein. Sie spielen nach meiner persönlichen Einschätzung etwa in der gleichen Einsteigerklasse wie die Amplimo-TM3. Klanglich vielleicht etwas heller.

Später probierte ich mehrere teure Übertrager verschiedener renommierter Marken aus. Auch solche, die mir Freunde und Bekannte zur Verfügung stellten. Ich wollte die klanglichen Potentiale ausloten. Dabei merkte ich schon, dass sich die Mehrausgaben für teurere Trafos lohnen, wenn man sie sich leisten kann.

Hier noch einmal ein Bild mit den Mini-Trafos von AMPLIMO, etwas aufwändiger eingebaut.

Am Ende wollte ich dann auch bei den Trafos etwas Einmaliges haben, darauf läuft es ja meistens bei mir hinaus. Und so beschloss ich, bei einem renommierten deutschen Traditionshersteller eine Kleinserie von Phono MC-Signaltransformatoren in bestmöglicher Qualität für mich fertigen zu lassen.

Von der Bauform her sind meine eigenen neuen Kapseln vom Durchmesser größer als die oben genannten. Sie sind auch nicht von Haufe, wonach ich öfter gefragt werde. Nur so viel sei verraten: Ich lasse sie exklusiv für mich herstellen.


Nachtrag

Aufgrund der guten klanglichen Ergebnisse im Vergleich mit Industriegeräten, erschien es mir lohnend im Nachhinein eine gesteigerte Version einer RIAA mit der 6SL7 zu entwickeln. Ausgestattet mit schönen NOS-Röhren aus meinem Fundus nebst anderen, heute seltenen NOS Bauteilen - erlebt man einen Verstärker, der locker in der gehobenen Klasse mitspielen kann. Vom sprichwörtlichen 'Vintage-Sound' keine Spur. So eine alte Schaltung profitiert heute insbesondere vom gesteigerten Netzteilaufwand. Bei entsprechender Liebe zum Detail lässt sich dadurch ein einmalig klarer Klang erreichen.

Hier ein Bild von dieser verbesserten 6SL7-Phonovorstufe:


 

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