DIY 12AX7 Röhren-Audioverstärker – Klassischer Sound Selbstbau

Bauteile & Materialien

• Eine 12AX7 Doppel-Triode Röhre
• Zwei Leistungstransformatoren, 120VAC Schritt-Down auf 12VAC (Radio Shack #273-1365, #273-1352 oder #273-1511)
• Brückengleichrichter-Modul (Radio Shack #276-1173)
• Elektrolytkondensator, mindestens 47 µF, Arbeitsspannung ≥200 V DC
• Kfz-Zündspule
• Audio-Lautsprecher, 8 Ω Impedanz
• Zwei 100-kΩ-Widerstände
• Ein 0,1-µF-Kondensator, 250 WVDC (Radio Shack #272-1053)
• „Niederspannungs-AC-Netzteil“ wie im AC-Experimente-Kapitel gezeigt
• Ein Kippschalter, SPST („Single-Pole, Single-Throw“)
• Radio, Kassettenrekorder, Musik-Keyboard oder andere Audio-Spannungsquellen

Wo bekommen Sie eine 12AX7-Röhre? Diese Röhren sind sehr beliebt für „Vorverstärker“-Stufen vieler professioneller E-Gitarrenverstärker.

Gehen Sie in einen guten Musikladen und Sie finden sie zu moderaten Preisen (12 $ US oder weniger). Der russische Hersteller Sovtek fertigt diese Röhren neu, sodass Sie nicht auf „New-Old-Stock“ (NOS) aus stillgelegten US-Fabriken angewiesen sind.

Dieses Röhrenmodell war in seiner Zeit sehr beliebt und findet sich in alten „röhrenbestückten“ Messgeräten (Oszilloskope, Oszillatoren), falls Sie Zugang zu solcher Ausrüstung haben. Ich rate jedoch dringend, eine neue Röhre zu kaufen, statt Risiken mit aus Altgeräten geborgenen Röhren einzugehen.

Es ist wichtig, einen Elektrolytkondensator mit ausreichender Arbeitsspannung (WVDC) zu wählen, der die Ausgangsspannung dieses Verstärkernetzteils (ca. 170 V) aushält. Ich empfehle dringend, einen Kondensator mit Spannungsfestigkeit weit über der erwarteten Betriebsspannung zu wählen, um unerwartete Spannungsspitzen oder andere Ereignisse abzufedern.

Ich kaufte das Radio-Shack-Elektrolytkondensator-Sortiment (Katalog #272-802), das zufällig zwei 47-µF-, 250-WVDC-Kondensatoren enthielt. Falls Sie nicht so viel Glück haben, können Sie diesen Schaltkreis mit fünf Kondensatoren, je 50 WVDC, als Ersatz für einen 250-WVDC-Typ aufbauen:

 

Beachten Sie, dass die Gesamtkapazität dieses Fünf-Kondensator-Netzwerks 1/5, also 20 %, jedes einzelnen Kondensatorwerts beträgt. Achten Sie zudem darauf, dass alle Kondensatorwerte (in µF) und alle Widerstandswerte identisch sind, um gleichmäßiges Laden zu gewährleisten.

Eine Kfz-Zündspule ist ein spezieller Hochspannungstransformator, der in Automotoren Zehntausende Volt zur Zündung der Zündkerzen erzeugt. In diesem Experiment wird sie (sehr unkonventionell!) als Impedanzanpassungs-Transformator zwischen der Vakuumröhre und einem 8-Ω-Audiolautsprecher eingesetzt.

Die konkrete Wahl der „Spule“ ist nicht kritisch, solange sie in gutem Betriebszustand ist. Hier ein Foto der von mir verwendeten Spule:

 

Der Lautsprecher muss nicht extravagant sein. Ich habe kleine „Regal“-Lautsprecher, Auto-Lautsprecher (6″×9″) sowie einen großen (100 Watt) 3-Wege-Stereolautsprecher verwendet, und alle funktionieren einwandfrei.

Verwenden Sie unter keinen Umständen Kopfhörer, da die Zündspule keine galvanische Trennung zwischen der 170-V-DC-„Anoden“-Spannungsversorgung und dem Lautsprecher bietet, wodurch die Lautsprecheranschlüsse auf diese Spannung bezüglich Masse gehoben werden. Da das Auflegen von Drähten mit Hochspannung gegen den Kopf extrem gefährlich wäre, verzichten Sie bitte auf Kopfhörer!

Sie benötigen eine Quelle für Audiofrequenz-AC als Eingangssignal für diesen Verstärkerkreis. Ich empfehle ein kleines batteriebetriebenes Radio oder Musik-Keyboard mit passendem Kabel, das in den „Kopfhörer“- oder „Audio-Ausgang“-Anschluss gesteckt wird, um das Signal an Ihren Verstärker zu führen.

Querverweise

Lessons In Electric Circuits, Band 3, Kapitel 13: „Electron Tubes“

Lessons In Electric Circuits, Band 3, Kapitel 3: „Diodes and Rectifiers“

Lessons In Electric Circuits, Band 2, Kapitel 9: „Transformers“

Lernziele

• Vakuumröhre (Triode) als Audioverstärker nutzen
• Transformatoren in Schritt-Down- und Schritt-Up-Betrieb einsetzen
• Hochspannungs-DC-Netzteil aufbauen
• Transformator zur Impedanzanpassung verwenden

Schaltplan

 

 

Aufbauillustration

 

Anleitung

Willkommen in der Welt der Vakuumröhrentechnik! Zwar nicht exakt eine Anwendung der Halbleitertechnik (abgesehen vom Netzteil-Gleichrichter), dient dieser Kreis als Einführung in die Röhrentechnik und als interessante Anwendung für Impedanzanpassungs-Transformatoren. Beachten Sie, dass Bau und Betrieb dieses Kreises Arbeiten mit lebensgefährlichen Spannungen beinhaltet!

Sie müssen äußerste Sorgfalt walten lassen, da 170 V DC tödliche Stromschläge verursachen können!! Anfängern wird empfohlen, qualifizierte Unterstützung (erfahrene Elektriker, Elektroniker oder Ingenieure) hinzuzuziehen, falls sie diesen Verstärker bauen möchten.

WARNUNG: Berühren Sie keine Drähte oder Klemmen, solange der Verstärkerkreis unter Spannung steht! Falls Sie zu irgendeinem Zeitpunkt Kontakt mit dem Kreis herstellen müssen, schalten Sie den „Anoden“-Netzteilschalter aus und warten Sie, bis der Filterkondensator unter 30 Volt entladen ist, bevor Sie irgendeinen Teil des Kreises berühren. Wenn Sie Spannungen im eingeschalteten Zustand messen müssen, nutzen Sie nach Möglichkeit nur eine Hand, um die Möglichkeit eines Arm-zu-Arm-Stromschlags zu vermeiden.

Aufbau der Hochspannungsversorgung: Vakuumröhren benötigen recht hohe Gleichspannung zwischen Anode und Kathode für effizienten Betrieb. Obwohl der Verstärkerkreis bei nur 24 V DC betrieben werden kann, wäre die Leistungsausbeute winzig und die Klangqualität schlecht.

Die 12AX7-Triode hat eine maximale „Anodenspannung“ (Spannung zwischen Anode und Kathode) von 330 V, sodass unsere hier spezifizierte 170-V-DC-Versorgung weit innerhalb dieses Limits liegt. Ich habe diesen Verstärker bis 235 V DC betrieben und festgestellt, dass sowohl Klangqualität als auch Intensität sich leicht verbesserten, aber nicht genug, um das zusätzliche Risiko für Experimentatoren zu rechtfertigen.

Die Stromversorgung hat tatsächlich zwei verschiedene Ausgänge: den „B+“ DC-Ausgang für die Anodenleistung und die „Heizungs“-Leistung, die nur 12 V AC beträgt. Röhren benötigen Leistung für einen kleinen Heizfaden (manchmal Heater genannt), damit die Kathode heiß genug wird, um thermisch Elektronen auszusenden – was bei Raumtemperatur nicht geschieht!

Mit einem Leistungstransformator wird Haushalts-120-V-AC auf 12 V AC heruntertransformiert für die Heizungen, und ein zweiter Transformator in Schritt-Up-Beschaltung bringt die Spannung wieder auf 120 V. Sie fragen sich vielleicht: „Warum die Spannung mit einem zweiten Transformator wieder auf 120 V hochtransformieren? Warum nicht einfach die Steckdose anzapfen, um 120 V AC direkt zu erhalten und diese dann in 170 V DC gleichzurichten?“

Die Antwort ist zweifach: Erstens begrenzt das Durchleiten der Leistung durch zwei Transformatoren inhärent den Strom, der bei einem versehentlichen Kurzschluss auf der Anodenseite des Verstärkerkreises fließen kann. Zweitens isoliert es den Anodenkreis elektrisch von der Hausverkabelung. Würden wir Netzspannung mit einer Diodenbrücke gleichrichten, wären beide DC-Pole (+ und −) bezüglich des Schutzerders Ihres Hausstromnetzes auf erhöhtem Potential, was die Schlaggefahr erhöht.

Beachten Sie den Kippschalter zwischen den 12-V-Wicklungen der beiden Transformatoren, beschriftet „Anoden-Versorgungsschalter“. Dieser Schalter steuert die Leistung für den Schritt-Up-Transformator und damit die Anodenspannung des Verstärkerkreises. Warum nicht einfach den Hauptnetzschalter am 120-V-Stecker nutzen? Warum ein zweiter Schalter, um die DC-Hochspannung abzuschalten, wenn das Abschalten des Hauptschalters dasselbe bewirken würde?

Die Antwort liegt im korrekten Röhrenbetrieb: Wie Glühlampen „verschleißen“ Vakuumröhren, wenn ihre Heizfäden wiederholt ein- und ausgeschaltet werden. Dieser zusätzliche Schalter erlaubt es, die DC-Hochspannung abzuschalten (zur Sicherheit beim Modifizieren oder Justieren), ohne die Heizung abzuschalten. Zudem ist es gute Praxis, zu warten, bis die Röhre volle Betriebstemperatur erreicht hat, bevor Anodenspannung angelegt wird, und dieser zweite Schalter ermöglicht es, die Anodenspannung zu verzögern, bis die Röhre Zeit hatte, Betriebstemperatur zu erreichen.

Während des Betriebs sollten Sie ein Voltmeter an den „B+“-Ausgang der Stromversorgung (zwischen B+-Klemme und Masse) angeschlossen haben, das kontinuierlich die Netzteilspannung anzeigt. Dieses Messgerät zeigt Ihnen an, wann der Filterkondensator nach Abschalten des „Anoden-Versorgungsschalters“ unter die Schlaggefahrgrenze (30 Volt) entladen hat.

Der im Schaltplan gezeigte „Masse“-Anschluss am DC-Ausgang des Netzteils muss nicht mit Erderde verbunden sein. Er ist lediglich ein Symbol für einen gemeinsamen Anschluss mit einem entsprechenden Masse-Symbol im Verstärkerkreis. In Ihrem Aufbau wird ein Drahtstück diese beiden „Masse“-Punkte verbinden. Wie immer ist die Bezeichnung bestimmter gemeinsamer Punkte in einem Kreis durch ein gemeinsames Symbol Standardpraxis in elektronischen Schaltplänen.

Sie werden bemerken, dass der Schaltplan einen 100-kΩ-Widerstand parallel zum Filterkondensator zeigt. Dieser Widerstand ist zwingend nötig, da er dem Kondensator einen Entladepfad bietet, wenn die AC-Leistung abgeschaltet wird. Ohne diesen „Entladewiderstand“ (Bleeder) würde der Kondensator wahrscheinlich lange nach dem „Power-Down“ eine gefährliche Ladung behalten und ein zusätzliches Schlagrisiko darstellen.

In meinem Aufbau – mit 47 µF Kondensator und 100 kΩ Entladewiderstand – betrug die Zeitkonstante dieses RC-Kreises kurze 4,7 Sekunden. Falls Sie einen größeren Filterkondensatorwert finden (gut zur Minimierung unerwünschter Netzteil-„Brumpfrequenz“ im Lautsprecher), benötigen Sie einen entsprechend kleineren Entladewiderstand oder müssen länger warten, bis die Spannung bei jedem Abschalten des „Anoden-Versorgungsschalters“ abgeblutet ist.

Stellen Sie sicher, dass das Netzteil sicher gebaut ist und zuverlässig funktioniert, bevor Sie versuchen, den Verstärkerkreis damit zu betreiben. Das ist generell gute Schaltpraxis: Bauen und troubleshooten Sie zuerst das Netzteil, dann den damit zu versorgenden Kreis. Funktioniert das Netzteil nicht wie vorgesehen, wird auch der versorgte Kreis nicht funktionieren, egal wie gut er entworfen und gebaut sein mag.

Aufbau des Verstärkers: Ein Problem beim Bau von Röhrenkreisen im 21. Jahrhundert ist, dass Fassungen für diese Komponenten schwer zu finden sind. Angesichts der begrenzten Lebensdauer der meisten „Empfänger“-Röhren (wenige Jahre) nutzten die meisten „röhrenbestückten“ Elektronikgeräte Fassungen, damit Röhren leicht entnommen und ersetzt werden konnten.

Zwar lassen sich Röhren noch (aus Musikfachgeschäften) relativ leicht beschaffen, die Fassungen, in die sie gesteckt werden, sind erheblich seltener – Ihr lokaler Radio Shack wird sie nicht vorrätig haben! Wie bauen wir also Röhrenkreise, wenn wir vielleicht keine Fassungen bekommen?

Bei kleinen Röhren lässt sich dieses Problem umgehen, indem man kurze Stücke 22-gauge Massivdraht direkt an die Röhrenpins lötet, sodass die Röhre in ein lötfreies Steckbrett „eingesteckt“ werden kann. Hier ein Foto meines Röhrenverstärkers, der die 12AX7 in invertierter Position (Pins nach oben) zeigt.

Ignorieren Sie bitte die 10-Segment-LED-Bargraph-Anzeige links und die 8-Position-DIP-Schalterbaugruppe rechts im Foto, da dies Überreste eines zuvor auf meinem Steckbrett aufgebauten Digitalversuchs sind.

 

Ein Vorteil dieser Montageposition ist die leichte Pin-Identifikation, da die meisten „Pin-Belegungsdiagramme“ für Röhren von unten (Bottom View) gezeigt werden:

 

Auf dem Verstärkerschaltplan sehen Sie, dass beide Triodensysteme innerhalb des 12AX7-Glaskolbens parallel geschaltet sind: Anode an Anode, Gitter an Gitter, Kathode an Kathode. Dies maximiert die Leistungsausbeute der Röhre, ist aber für die Demonstration des Grundbetriebs nicht zwingend. Sie können zur Vereinfachung nur eines der Triodensysteme nutzen.

Der 0,1-µF-Kondensator im Schaltplan „koppelt“ das Audiosignal (Radio, Musik-Keyboard etc.) an das Gitter der Röhre, lässt AC passieren, blockiert aber DC. Der 100-kΩ-Widerstand stellt sicher, dass die durchschnittliche DC-Spannung zwischen Gitter und Kathode null beträgt und nicht auf ein hohes Niveau „schweben“ kann. Typischerweise werden Bias-Schaltungen genutzt, um das Gitter leicht negativ bezüglich Masse zu halten, aber für diesen Zweck würde eine Bias-Schaltung mehr Komplexität einbringen als sie wert ist.

Als ich meinen Verstärker testete, nutzte ich den Ausgang eines Radioempfängers und später den eines Compact-Disc-(CD)-Spielers als Audiosignalquelle. Mit einem „Mono-auf-Phono“-Verlängerungskabel, eingesteckt in die Kopfhörerbuchse des Empfängers/CD-Spielers, und Alligator-Klemmen, die den „Mono“-Spitzenkontakt des Kabels mit den Eingangsklemmen des Röhrenverstärkers verbanden, konnte ich dem Verstärker Audiosignale variierender Amplitude zuführen und seine Leistung über breite Bedingungen testen:

 

Ein Transformator ist am Verstärkerausgang essenziell, um die Impedanzen von Vakuumröhre und Lautsprecher „anzupassen“. Da die Vakuumröhre ein Hochspannungs-Niedrigstrom-Gerät ist und die meisten Lautsprecher Niedrigspannungs-Hochstrom-Geräte sind, würde die Impedanzdiskrepanz bei direkter Verbindung zu extrem geringer Audioleistung führen.

Um die Hochspannungs-Niedrigstrom-Quelle erfolgreich an die Niedrigspannungs-Hochstrom-Last anzupassen, müssen wir einen Schritt-Down-Transformator verwenden. Da der Thevenin-Widerstand des Röhrenkreises im Zehntausender-Ohm-Bereich liegt und der Lautsprecher nur ca. 8 Ω Impedanz hat, benötigen wir einen Transformator mit einem Impedanzverhältnis von etwa 10.000:1.

Da das Impedanzverhältnis eines Transformators das Quadrat seines Windungsverhältnisses (oder Spannungsverhältnisses) ist, suchen wir einen Transformator mit Windungsverhältnis ca. 100:1. Eine typische Kfz-Zündspule hat etwa dieses Windungsverhältnis und ist zudem für extrem hohe Spannung an der Hochspannungswicklung ausgelegt, was sie für diese Anwendung gut geeignet macht.

Der einzige Nachteil der Zündspule ist, dass sie keine galvanische Trennung zwischen Primär- und Sekundärwicklung bietet, da es sich tatsächlich um einen Autotransformator handelt, bei dem jede Wicklung an einem Ende einen gemeinsamen Anschluss teilt. Das bedeutet, dass die Lautsprecherdrähte bezüglich Schaltungsmasse auf hoher DC-Spannung liegen.

Solange wir dies wissen und während des Betriebs diese Drähte nicht berühren, gibt es kein Problem. Idealerweise würde der Transformator jedoch vollständige Isolation und Impedanzanpassung bieten, sodass die Lautsprecherdrähte während des Betriebs vollkommen sicher zu berühren wären.

Denken Sie daran, alle Verbindungen im Kreis mit ausgeschalteter Spannung herzustellen! Nach visueller Prüfung und Ohmmeter-Kontrolle, dass der Kreis gemäß Schaltplan aufgebaut ist, schalten Sie die Heizungen der Röhre ein und warten ca. 30 Sekunden, bis sie Betriebstemperatur erreicht hat.

Beide Heizfäden sollten ein sanftes oranges Leuchten zeigen, von oben und unten sichtbar. Drehen Sie den Lautstärkeregler Ihres Radio/CD-Player/Music-Keyboard-Signalquellen auf Minimum, dann schalten Sie den Anoden-Versorgungsschalter ein.

Das an den B+-Ausgang der Stromversorgung (zwischen B+ und „Masse“) angeschlossene Voltmeter sollte die volle Spannung (ca. 170 V) anzeigen. Erhöhen Sie nun die Lautstärke an der Signalquelle und hören Sie auf den Lautsprecher. Wenn alles stimmt, sollten Sie die korrekten Klänge klar über den Lautsprecher hören.

Fehlersuche an diesem Kreis: Am besten mit dem empfindlichen Audio-Detektor aus den DC- und AC-Kapiteln dieses Experiments-Bands.

Schalten Sie einen 0,1-µF-Kondensator in Reihe mit jede Messleitung, um DC vom Detektor fernzuhalten, dann verbinden Sie eine Messleitung mit Masse, während Sie die andere Messleitung nutzen, um an verschiedenen Punkten im Kreis nach Audiosignal zu suchen. Nutzen Sie Kondensatoren mit hoher Spannungsfestigkeit, wie den am Verstärkereingang verwendeten:

 

Die Verwendung von zwei Kopplungskondensatoren statt nur einem bietet zusätzlichen Sicherheitsgrad, indem sie das Gerät weiter von (hohen) DC-Spannungen isoliert. Auch ohne den zusätzlichen Kondensator sollte der interne Transformator des Detektors ausreichend elektrische Isolation für Ihre Sicherheit bei der Signalprüfung in einem Hochspannungskreis wie diesem bieten, besonders wenn Sie Ihren Detektor wie vorgeschlagen mit einem 120-V-Leistungstransformator (statt eines „Audio-Ausgangs“-Transformators) gebaut haben.

Nutzen Sie ihn, um ein gutes Signal am Eingang zu prüfen, dann am Gitter-Pin der Röhre, dann an der Anode, usw., bis das Problem gefunden ist. Da der Detektor kapazitiv gekoppelt ist, kann er auch übermäßiges Netzteil-„Brummen“ testen: Berühren Sie die freie Messleitung mit dem B+-Anschluss der Versorgung und hören Sie auf lautes 60-Hz-Brummen.

Das Brummen sollte sehr leise, nicht laut sein. Ist es laut, ist das Netzteil unzureichend gefiltert und benötigt möglicherweise zusätzliche Filterkapazität. Nach dem Testen eines Punkts im Verstärkerkreis mit hoher DC-Spannung zur Masse können die Kopplungskondensatoren am Detektor beträchtliche Spannung aufgebaut haben.

Um diese Spannung abzubauen, berühren Sie kurz die freie Messleitung mit der geerdeten Messleitung. Ein „Plopp“-Geräusch sollte in den Kopfhörern zu hören sein, während die Kopplungskondensatoren entladen.

Falls Sie lieber ein Voltmeter zur Prüfung auf Audiosignal nutzen möchten, können Sie dies tun, indem Sie es auf einen empfindlichen AC-Spannungsbereich einstellen. Die Anzeige eines Voltmeters verrät zwar nichts über die Qualität des Signals, nur über dessen bloße Anwesenheit.

Beachten Sie, dass die meisten AC-Voltmeter beim erstmaligen Anschluss an eine DC-Spannungsquelle einen transitorischen Spannungsspitzen anzeigen; lassen Sie sich nicht von einem „Spike“ (starker, momentaner Spannungsanzeige) im exakten Moment des Kontakts der Messspitzen mit dem Kreis überraschen, der schnell auf den wahren AC-Signalwert abfällt.

Sie werden vielleicht angenehm überrascht sein von der Qualität und Tiefe des Tons dieses kleinen Verstärkerkreises, besonders angesichts seiner geringen Leistungsausbeute: weniger als 1 Watt Audioleistung.

Natürlich ist der Kreis recht grob und opfert Qualität für Einfachheit und Teileverfügbarkeit, aber er demonstriert das Grundprinzip der Röhrenverstärkung. Fortgeschrittene Hobbyisten und Studenten mögen mit Bias-Netzwerken, negativer Gegenkopplung, verschiedenen Ausgangstransformatoren, verschiedenen Netzteilspannungen und sogar verschiedenen Röhren experimentieren, um mehr Leistung und/oder bessere Klangqualität zu erzielen.

Hier ist ein Foto eines sehr ähnlichen Verstärkerkreises, gebaut vom Ehepaar Terry und Cheryl Goetz, das zeigt, was mit Sorgfalt und Handwerkskunst bei einem solchen Projekt möglich ist.