FX-Audio Tube-03 Röhrenvorverstärker / Wie gut ist er wirklich?

Wie es scheint, ist der Röhrentyp keine Garantie für niedrige Verzerrungen. Hier ist es die 5654W, die mit über 3% schlecht abschneidet. Die EF95 hingegen erreicht einen Wert kleiner 0,1%. Und 3% Verzerrungen klingen nicht mehr schön, auch wenn die zweite Harmonische dominiert.

Viele Grüße,
Christian

Hmm, ein Ausreisser ? Die 5654W sollte doch wie E95F sein, also ohne Probleme ... (?)

Michael

Gut möglich. Die Schaltung mit ihrem Arbeitspunkt weitab vom beabsichtigten Einsatz bügelt Exemplarunterschiede aber auch nicht weg. Verkauft wurden die Röhren als NOS. Und sie sind geprüft.
Die 5654 stammt von Philips, die EF95 von Haltron. Daneben gab es noch zwei 6AK5, ebenfalls von Haltron dazu. Eine ist in dieser Anwendung ähnlich mies wie die 5654, die andere ist in Ordnung. Der Verkäufer hat sie in einer Triodenschaltung getestet: Ra 33k, Rk 390 Ohm parallel zu 220 µF, 240 Volt Betriebsspannung. Diese Umgebung dürfte auch so um die 4 -5 mA Anodenstrom erzeugt haben, aber bei wesentlich höherer Gittervorspannung von - 1,8 V.
Da lagen die Röhren mit 0,5 Vrms Eingangsspannung halbwegs vergleichbar in der Verstärkung und erzielten zwischen 11,4 und 13,5 Vrms Ausgangsspannung bei Verzerrungen < 1%. --> µ' = 23 -27.

Ich habe den Verdacht, dass die niedrige Anodenspannung in Verbindung mit dem kleinen Kathodenwiderstand einen ungünstigen Arbeitspunkt bildet, der die Unterschiede einzelner Röhren besonders zutage treten lässt. Jedenfalls sind die 120 Ohm kaum geeignet, dem per Rückkopplung entgegenzuwirken. Aber das war vermutlich Designziel. Wären es niedrige Verzerrungen und der Ausgleich von Exemplarunterschieden gewesen, wäre die Röhrenstufe besser vor den Opamps aufgehoben gewesen. Das hätte es erlaubt, einen stabileren Arbeitspunkt und eine stärkere Rückkopplung zu wählen, der dann ruhig auch einen höheren Ausgangswiderstand verkraftet hätte. Auch der Anodenspannungsversorgung hätte es gutgetan, wenn sie ein wenig härter wäre. Von den 100 Volt im Leerlauf bleiben nur 65 Volt übrig, wenn die Röhren 8 mA konsumieren.

Das mit der extremen Empfindlichkeit auf die Röhren kann ich jetzt auch bestätigen. Die müssen wirklich als Paar selektiert werden. Ich habe Siemens EF 95 aus derselben Charge probiert, das reichte noch nicht. Aber aus 4 Stück bekam ich dann 2 Paare zusammen. Damit läuft der Tube-03 recht ordentlich, und verzerrt hörbar weniger als mit einem Satz 5654W, bei dem man die Klangregler schon gar nicht voll nutzen kann, ohne dass es einfach zuviel wird mit den Verzerrungen.

Michael

Stimmt. Michael sandte mir beiden die 6S1 zu, die weiter oben Thema waren. Gestern unterzog ich sie, die "gute" EF95 und meine hochverzerrende 5654 ein paar Messungen, um die Kennlinien rund um den Arbeitspunkt in diesen Verstärkern zu bestimmen. Ich bestimmte den Anodenstrom in Abhängigkeit von der Gitterspannung und von der Anodenspannung.
Es stellte sich heraus, die EF95 war die Röhre mit dem geringsten Anodenstrom. Die beiden 6S1 waren in keiner Weise müde, wie nach der Überheizung vermutet, sondern ziemlich ähnlich zu meinen Exemplaren. Meine 5654 jedoch toppte hinsichtlich Anodenstrom alle anderen deutlich.
Bisheriger Stand der Erkenntnis:
1. 0,1% THD bei meiner EF95 sind das Ergebnis sich ausgleichender Nichtlinearitäten von Eingangs-und Ausgangskennlinie. In anderen Worten, ein Glücksfall.
2. Die 6S1, auch die von Michael, entsprechen noch am ehesten den Datenblattangaben einer Mullard-EF95. Mein Exemplar liegt beim Anodenstrom deutlich drunter, meine 5654 deutlich drüber.

Michael, ist es dir möglich, mal bei deinen Röhren- Exemplaren die Spannung an der Kathode gegen Masse zu messen? Meine bisherige Tendenz geht in die Richtung, dass ein höherer Strom meist auch mit höheren Verzerrungen einher geht, zumindest, was 6S1, 6AK5, 5654 und EF95 angeht. 6K4 und EF96 sind so nicht direkt vergleichbar.

Diagramme folgen.

Röhrenvergleich: Kennlinien in der Nähe des Arbeitspunktes

6S1_M_rt: eine von Michaels Röhren, hat einen roten Punkt auf dem Glas
6S1_M_ohne: dito, keine Markierung
6S1_CS: mein NOS-Exemplar
EF95: meine NOS-Ersteigerung, Haltron hat sie mal verkauft, war aber nicht der Hersteller. Sie sieht den 6S1 sehr sehr ähnlich vom Aufbau der Innereien.
5654: Philips, NOS



Variiert man die Gitterspannung bei konstanter Anodenspannung, erhält man die Eingangskennlinie. Hier sind die unterschiedlichen Röhren 6S1 inklusive ihrer Verwandten dargestellt, die ich vorliegen habe. Die Steigung der Kurve im Bereich des Arbeitspunktes ist die Steilheit, englisch Transconductance, oft in mA/V angegeben. Man sieht deutliche Unterschiede, auch hinsichtlich der Krümmung der Kurven.

Die beiden Extrembeispiele bei 50 Volt Anodenspannung, Werte zwischen -0,3 und -0,7 Volt Gitterspannung:

6S1_M_rt: 6,52 mA/Volt Gitterspannungsänderung
EF95: 4,1 mA/ Volt



Variiert man die Anodenspannung und zeichnet den sich einstellenden Anodenstrom auf, kommt man an die Ausgangskennlinie. Üblicherweise ist hier eine ganze Schar an Kurven für unterschiedliche Gitterspannungen dargestellt. Hier habe ich mich auf - 0,5 Volt beschränkt, um einen sinnvollen Vergleich der Röhren zu ermöglichen. In dieser Grafik sieht man gut, dass die 5654 ein Ausreißer nach oben ist. Sie erzeugt höhere Ströme als die übrigen Exemplare.

Die Steigung im AP ergibt den Wert des Innenwiderstandes der Röhre. Ich habe die Werte zwischen 50V und 60V Anodenspannung genutzt:

6S1_M_Rt: 4,83 kOhm
EF95: 6,85 kOhm

Mit diesen beiden Werten kann man die Verstärkung einer Kathodenbasisstufe berechnen. Zunächst ergibt sich nach der Barkhausenformel µ aus Ri und S:
µ = Ri*S
(mit µ = 1/D und S*Ri*D = 1)

6S1_M_Rt: 4,83 kOhm x 6,52 mA/V = 31,5
EF95: 6,85 kOhm x 4,1 mA/V: 28,1

Die Verstärkung einer Kathodenbasisstufe - ohne Kondensator über dem Kathodenwiderstand - lässt sich mit folgender Formel berechnen:

RoehrenV.jpg

Dabei ist Ra die Parallelschaltung vom Anodenwiderstand und dem Eingangswiderstand der Folgeschaltung. Bei mir war das der Eingang des Audiointerfaces. In Ermangelung von Daten soll hier mal der Normwert von 47 kOhm herangezogen werden. Der liegt parallel zum Anodenwiderstand von 3,3 kOhm, ergibt 3,08 kOhm.

Damit kommt raus:
6S1_M_Rt: Au = 8,2
EF95: Au = 6,4

Das kommt halbwegs mit den gemessenen Werten hin, ist eher etwas zu hoch. Wenn ich mir die Bananen der beiden Kennlinien der EF95 anschaue wundert mich trotzdem, wieso ausgerechnet dieses Exemplar geringe Verzerrungen aufweist. Die 6S1 mit etwas geringerem Anodenstrom liegen ja relativ nahe beieinander. Vielleicht ist das der "Normalfall"?

Ich werde jedenfalls noch mal die Messbedingungen eines Röhrenprüfgerätes nachstellen und da mal den Anodenstrom der verschiedenen Röhren bestimmen. Das dürfte dann auch ein besserer Gradmesser sein, ob die Röhren geschädigt wurden.

Viele Grüße,
Christian

Prüfung nach Funke W19-Bedingungen:
Ua: 150V
Ug2: 60V
Ug1: 0 V

Der Gutbereich fängt bei 3,5 mA Anodenstrom an und reicht bis ca. 9,5 mA.

Die fünf Prüflinge schlagen sich folgendermaßen:
6S1_M_Rt: 10,2 mA
6S1_M_ohne: 6,9 mA
6S1_CS: 7,7 mA
EF95: 5,5 mA
5654: 9,4 mA

Keine der Röhren liegt außerhalb des Gutbereiches. Die Abstufung untereinander ähnelt den Werten aus der Bestimmung der Triodenkennlinien.

Sehr aufschlussreich, da sollte sich dann doch noch ein Auswahlkriterium herausschälen lassen. Ich habe Dir mal den Tube-03 und 2 andere Röhrensätze geschickt, vielleicht ergibt sich dann noch ein besseres Bild ?

Besten Gruss,

Michael

Die kleine Röhrenstufe ist einfach auf einem Steckbrett nachbaubar. Das erlaubt es, Parameter zu variieren, ohne an der Platine löten zu müssen. Der Geräuschspannungsabstand ist geringer, es streut bei fliegendem Aufbau viel Brumm in die Schaltung, aber THD lässt sich messen.Die Variation der Versorgungsspannung zeigte folgendes: Wie vermutet, die 2. Harmonische reagiert deutlich auf Änderungen des Arbeitspunktes. Und es gab bei jeder mir vorliegenden 6S1-Röhre einen Punkt, an dem sich die Krümmung des Verlaufes des Innenwiderstandes und der Steilheit gegenseitig aufhoben. THD-Werte von 0,03 - 0,07% waren so möglich. Schlecht allerdings, dieser Bereich ist äußerst eng und stellte sich an recht unterschiedlichen Punkten ein. Einen Trend zumindest gab es: Je höher die Emission der Röhre war, siehe die vorhergehenden Diagramme, umso höher lag der Anodenstrom, bei dem sich dieses Minimum einstellte:


Bei einem Betriebspunkt oberhalb des Minimums stiegen die Klirrwerte meist nur moderat an, von daher empfiehlt sich aus meiner Sicht der Umbau des Verstärkers auf eine etwas höhere Betriebsspannung. Vom Schaltwandler kommen, ausreichend belastbar, 100 Volt. Zwischen den Röhrenstufen und Ausgang Schaltwandler liegt nochmals eine Siebstufe, bestehend aus zwei parallel geschalteten 6,8 kOhm-Widerständen und den Elkos, meiner Erinnerung nach 2 x 10 µF. Die Nachladepulse von einigen 100 mV Amplitude mit Frequenz von ca. 70 kHz werden so recht wirksam von der Stufe ferngehalten. Der Plan ist nun, diese Siebwiederstandskombi auf insgesamt ca. 1 kOhm abzusenken. Das müsste simpel durch Parallschalten von einem 1,5 kOhm-Widerstand funktionieren. Das sollte ca. 85 Volt Betriebsspannung bei ca. 15 mA Stromfluss für beide Röhren ergeben, Werte, bei denen sie sich vermutlich wohler fühlen und Klirrwerte zwischen 0,1 und 0,5% erwartbar sind.
Ich werde berichten....

Bei einer Röhre vom Typ 6K4 gab es diese Auslöschung der K2-Verzerrungen übrigens nicht.

Viele Grüße,
Christian

Sehr gut, die wird noch was ... Kann nur sein, dass die Röhren-Jünger dann ihren "Sound" vermissen ...

Michael

Wie funktioniert das denn nun mit der Auslöschung der zweiten Harmonischen? Bekanntlich entsteht sie durch unterschiedlich hohe Verstärkung für die positive gegenüber der negativen Halbwelle. Die Verstärkung dieser Schaltung an einem bestimmten Punkt des Kennlinienfeldes gehorcht der Formel, die drei Posts vorher dargestellt ist. Setzt man für µ den Term S * Ri (Steilheit x Innenwiderstand) ein, sieht die Formel dann so aus:

Au = (S*Ri*Ra)/(Ri + Ra + (S*Ri + 1)*Rk)

Steilheit und Innenwiderstand sind Röhreneigenschaften, Ra und Rk sind feste Werte, die nur von der Außenbeschaltung abhängen.

Steilheit und Ri sind nicht konstant, sie ändern sich in Abhängigkeit von der Anodenspannung und von der Gitterspannung.



So sieht das aus für meine 6S1. Aus den Messdaten von Eingangs- und Ausgangskennlinie ließ sich der Verlauf der Steilheit berechnen. Der rote eingezeichnete Strich stellt ungefähr die Lage der Kennlinie dar, bei der K2 am geringsten war. Die Steilheit sinkt bei einer negativeren Gitterspannung. Die Änderung ist umso geringer, je höher die Anodenspannung ist. Dabei ist die Abhängigkeit dieser Änderung von der Anodenspannung nicht allzu stark ausgeprägt. Die Steigung der drei Grafen variiert nicht allzu stark.




Und hier das gleiche Spiel für den Innenwiderstand. Wieder ist der Aussteuerbereich bei Klirrminimum mit dem roten Strich dargestellt. Eine negativere Gitterspannung verursacht einen höheren Innenwiderstand. Allerdings unterscheidet sich hier die Steigung der Grafen (unterschiedliche Anodenspannungen) deutlich stärker und die Verläufe weichen deutlich von einer Geraden ab.

K2-Klirrminimum entsteht, wenn sich diese beiden Einflüsse bestmöglich aufheben.



So sieht die Beispielrechnung aus, die Werte für Ri und S habe ich von den Endpunkten der roten Geraden übernommen. Es passt also halbwegs, Aussteuerung nach oben und unten erfolgt nahezu mit gleicher Verstärkung.

Kann man daraus eine sinnvolle Selektionsregel ableiten? Wohl eher nicht. Dafür ist das zu viel Aufwand. Aber wer mag, kann den Betriebspunkt seines Verstärkers an seine Röhren anpassen. Das zeige ich demnächst.

Viele Grüße,
Christian

Interessanter Ansatz -- und letztlich auch einer, der bei (den wenigen wirklich) guten Röhrenvorstufen im Einsatz ist: Verstellbarer Arbeitspunkt. Wäre ja witzig, wenn man das hier nachrüsten könnte ...

Michael

Für die meisten Röhren 6S1 und ähnliche ist es günstig, wenn die Schaltung mit etwas mehr Dampf betrieben wird. Die 100 Volt direkt vom Step-Up-Wandler wollte ich nicht aufschalten, aber 85 Volt erlauben noch eine gute Siebung bei deutlich stabilerer Versorgungsspannung. Dazu müssen die Widerstände R315 und 316 (parallelgeschaltete 6,8 kOhm-Widerstände) mit einem Bypasswiderstand von 1,5 kOhm versehen werden. Das ergibt einen Gesamtwiderstand von 1 kOhm vor den Pufferkondensatoren darüber: bei mir 2 x 22 µF. Bei Michaels Verstärker sind dort 2 x 12 µF verbaut.
Die Siebung ist noch ausreichend gut. Im Betrieb entstehen 5 mV-Nachladepulse in der Betriebsspannung der Röhrenstufe. Am Ausgang konnte ich sie mit meinen Mitteln nicht mehr nachweisen. Beide Röhrenstufen werden von derselben Anodenspannung versorgt, man muss also nur diese eine Stelle in der Schaltung ändern.

Der Anodenstrom erhöht sich und liegt nun bei 5-7 mA, je nach Röhre. Immer noch weit im grünen Bereich der verwendeten Röhren.



An der betreffenden Stelle geht es ziemlich eng zu. Ich habe einen Elko und auch einen der Folienkondensatoren ausgelötet, um vernünftig an die SMD-Pads heranzukommen. Um noch etwas zu experimentieren, habe ich zwei Präzisionskontakte mit ein paar Drahtstücken angelötet, damit kann man den Widerstand einfach variieren.


Klirrfaktormessung bei 0,316 mV Ausgangspegel:

Michaels 6S1 (inklusive der durch hohe Heizspannung strapazierten Röhre) erzeugen so nun statt 1 % respektive 3 % THD 0,08% und 0,15%. Meine liegen ähnlich. Die eine 6564W von mir, die vorher im Bereich von über 3% THD lag, läuft immerhin mit nur 0,8%, bleibt also ein echter Ausreißer. Bei anderen Röhrentypen, 6K4 oder EF96 bleiben die Werte ungefähr gleich, 0,4-0,7%.

Wermutstropfen: Meine ursprünglich gut laufende EF95 liegt nun etwas höher, sie hat den "Sweet-Spot" verlassen. Insgesamt kann an aber sehen, die Schaltung reagiert in dieser Form robuster gegen Exemplarschwankungen.

Wer sich höhere K2-Verzerrungen wünscht, kann den Verstärker einfach mehr aufdrehen und reduziert entsprechend den Pegel am Endverstärker.

Noch ein Wort zum Vergleich von Michaels Exemplar FX-Audio Tube 03 (2018) und meinem Fosi Audio Tube P1 (2022): Michael sandte mir seinen Verstärker zu und ich hatte Gelegenheit, mir die beiden Leiterplatten genauer anzuschauen. Der Fosi Audio Tube P1 ist eine etwas verfeinerte Variante, die Unterschiede sind aber gering. Die zusätzlich angebrachte Relaisstufe schaltet den Verstärker etwas verzögert zu, aber zu schnell, um einen Plopp beim Einsetzen der Röhrenstufe zu verhindern. Außerdem wurden ein paar Widerstände als SMD-Version statt als bedrahtete Komponente verbaut. Aber die wesentlichen Blöcke sind von Anordnung und Bauteilewerten baugleich, bis hin zur beknackten Anordnung der Röhrenstufe ganz am Ende der Signalkette.

Viele Grüße,
Christian

Prima -- aber diese Nachsiebung mit 22 bzw. 12 uF klingt knapp. Sollte man da dann nicht etwas mehr spendieren ? Ansonsten klingt mit das so, dass die Erhöhung des Anodenstroms sinnvoll ist, auch weil dann mehr Röhren wenigstens einigermassen passable Werte erzielen. Wobei das auch bedeutet, dass die Unterschiede zwischen verschiedenen Röhren kleiner werden, was nicht gut ist für die vielen, vielen Influencer in YouTube und anderen Kanälen. Zuweilen denke ich, die leben von solchen beknackten Teilen, da kann man beliebig drüber fabulieren ...

Besten Gruss,

Michael

oldiefan schrieb:

Mit Deiner Verbesserung der Schaltung könnten Sie vermutlich sogar die behaupteten 0,03 % schaffen. Jedenfalls scheint das nicht mehr unmöglich.

Hallo Reinhard,
das hängt davon ab, wo sie ihr Optimum hinsichtlich K2 haben. Falls der nahe des Betriebspunktes in der Originalschaltung liegt, dürfte THD mit der höheren Anodenspannung sogar wieder ansteigen. Ich werde es testen.

Danke für deine Reaktion!

Viele Grüße,
Christian

kugel-balu schrieb:

Prima -- aber diese Nachsiebung mit 22 bzw. 12 uF klingt knapp.

Hallo Michael,
der Kapazitätswert ist gar nicht so entscheidend, immerhin arbeitet das System ja nicht für 50 Hz, sondern für 65 - 75 kHz. Aber ein niedriger ESR speziell des ersten Elkos nach der Step-Up-Diode ist wichtig. Auch wenn im Mittel nur 10-15 mA Strom fließen, der Zeitanteil für das Nachladen ist step-up-typisch sehr kurz. Die 5 mV-Nadeln machen nur ca. 5 - 10% eines Pulses aus. Die Diode liefert da Spitzenströme von ca. 500 mA. Die Elkos sollten einen ESR kleiner 2 Ohm besitzen, damit die Spannungsspitze zwischen Einspeichern und Abgeben ausreichend klein bleibt.

Die gesamte Siebkette ist auch noch etwas umfangreicher. Von der Diode kommend gibt es:
Elko 1: 12 µF -- 500 Ohm -- Elko 2: 12 µF -- 3400 Ohm --Elkos 3+4: 2 x 12 µF

Viele Grüße,
Christian