Lineair Versterkertje voor Studio Hoofdtelefoon
We gaan een lineair versterkertje voor studio hoofdtelefoon bouwen. Zo’n studio hoofdtelefoon is voor heel acceptabele prijzen te koop en levert, de naam zegt het al, studio kwaliteit. Dat is iets wat je met een 8 ohm hoofdtelefoon van de ‘cool-markt’ niet kunt verwachten.
Een studio hoofdtelefoon heeft een impedantie van minimaal 200 ohm. Ik kocht een DT990 Pro van 300 ohm en die koop je bij Bax of Bol voor 150 Euro.
Over studio hoofdtelefoons wordt overigens ook wel wat onzin verteld. BAX en andere verkoop sites beweren met droge ogen dat je voor een hoogohmige hoofdtelefoon meer vermogen, dus een zwaardere versterker nodig hebt.
Onzin.
Die studio hoofdtelefoon heeft een hogere impedantie en dus moet je een versterkertje hebben die wat meer spanning kan leveren. Meer spanning hoeft niet meer vermogen te betekenen.
Nog meer onzin:
Probeer eens te achterhalen hoeveel vermogen je nodig hebt voor je hoofdtelefoon. Ik probeerde dat en kwam de vreemdste verhalen tegen. De één zegt 1 watt is genoeg en een andere zegt dat je daar stikdoof van wordt en dat 5 miliWatt ruim voldoende is. Een Engelse audio engineer werkzaam voor Pearl inc. noemt 10-20 mA in 300 ohm, dat is 30-120 mWatt en ik ben geneigd hem te geloven.
Mijn nieuwe Beyerdynamic hoofdtelefoon mag maximaal 90 mWatt consumeren. Dat ligt dicht bij wat hij schrijft.
We moeten het zelf gaan uitvinden.
Een MU-Stage versterkertje
Een MU-stage versterker ziet er op het eerste gezicht uit als een wat steviger versterker maar dat is het niet! De versterking berust op een enkele triode die de spanning voor je hoofdtelefoon levert.
Het schema bevat weliswaar ook een penthode maar die penthode levert geen versterking. De penthode dient alleen om voor de triode een constante stroombron te creëren. En die triode kan dan dankzij die constante stroombron als lineaire versterker werken.
Lineair versterken wil zeggen dat alle frequentie en alle niveaus van het ingangssignaal evenveel versterkt uit de uitgang komen. Met andere woorden, het bronsignaal komt onvervormd uit de versterker.
Wat kan een audiofiel nog meer willen? 😊
Waarom dit MU-stage Versterkertje?
Nu ben ik geen audiofiel en zoals je uit het voorgaande al begreep had ik tot voor kort niet eens een hoofdtelefoon.
Maar ik heb wel enorm veel plezier in het puzzelen met buizen schema’s en zoeken naar betere oplossingen dan de mainstream biedt.
Twee volgers van deze site hebben problemen met een MU-Stage versterkertje voor hoofdtelefoons en vroegen mij of ik kon helpen die problemen op te lossen?
De MU-stage ontwikkeling
Zo’n MU stage is ergens eind vorige eeuw ontwikkeld door Alan Kimmel. Kimmel leeft nu als pensionado een teruggetrokken bestaan. Zijn laatste openbare functie was Chief Engineer bij Grommes~Precision een bedrijf gevestigd in Gurnee Illinois USA.
Grommes produceert en levert hoog gespecialiseerde audio apparatuur met vermogens tot 2000 watt.
In Nederland experimenteert Rob Hoogenbosch, een onderwijzer en audio liefhebben uit ’s-Hertogenbosch begin deze eeuw met de Mu-stage als hoofdtelefoonversterker en geeft hoog op over de prestaties.
Rob, beter bekend als DHTRob, heeft een voorliefde voor triodes uit de jaren ’30 van de vorige eeuw. Dat gaat niet altijd goed ervaart hij ook. Het probleem is dat leveranciers die zulke oude buizen aanbieden vaak buizen leveren die gewoon versleten zijn.
- lineair versterkertje voor studio hoofdtelefoon -
Deze Rob publiceerde begin deze eeuw een schema van de op Kimmel gebaseerde MU-Stage als hoofdtelefoon versterker. Hij geeft hoog op over de resultaten zelfs in een hoofdtelefoon van 35 ohm met een uitgangscondensator van 100 µF.
Reken even met me mee. Een condensator van 100 µF heeft voor een toon van 1000Hz een weerstand van 1,592 ohm en voor een toon van 50Hz 31.85 ohm.
In serie met een telefoon van 35 ohm is de totale weerstand dan 36,592 ohm bij 1000Hz en 66,85 ohm bij 50Hz. Dat levert dan bij 50 Hz een demping van 3dB op.
Drie dB dat is dus een halvering van het bassignaal.
Als je dat niet erg vindt waarom wil je dan nog een lineaire versterker bouwen?
- lineair versterkertje voor studio hoofdtelefoon -
Het DHTRob schema werkt niet
Zoals gezegd, twee volgers van de-radio-amateur.nl bouwden die versterker na en dat leverde geen goed resultaat op. Zwak geluid en veel vervorming.
Nu ben ik geen voorstander van het gebruik van heel oude buizen, gewoon omdat die inderdaad vaak niet meer goed functioneren zoals ik zelf heb ervaren met de 807 buis in de 20 watt stadradio zender.
Daarnaast bevat het schema van Rob nog meer problemen. Die problemen heb ik toegelicht en aan Rob voorgelegd. Je kunt dat nalezen op de MU-Stage pagina.
Het concept schema van Alan Kimmel daar geloof ik wel in en het moet dus mogelijk zijn om op die basis voor je hoofdtelefoon zo’n kwaliteitsversterker te bouwen. In mijn hobby-filosofie moet dat dan wel met buizen die je nog nieuw uit de fabriek kunt kopen.
Een MU-Stage Versterkertje voor Studio Hoofdtelefoons
Waarom een studio hoofdtelefoon?
- lineair versterkertje voor studio hoofdtelefoon -
Die vraag kan ik eenvoudig beantwoorden. Studio muzikanten verlangen kwaliteit, ze moeten exact kunnen horen of er iets schort aan wat ze aan het produceren zijn.
Voor een kwaliteitsversterker gaan we geen hoofdtelefoon van de massamarkt gebruiken. Toch?
Daarbij komt,
Meestal zijn studio hoofdtelefoons hoogohmig. 230, 300 of zelf 600 ohm. En dat is van belang want ik geloof er niet in dat je met een MU-Stage versterkertje een hoofdtelefoon van 35 ohm kunt aansturen.
Zo’n laagohmige hoofdtelefoon geeft een veel te hoge ‘load’, belasting, op je versterkeruitgang. Je audio signaal wordt daarmee als het ware kortgesloten.
De 300 ohm van de DT990die ik voor dit project heb aangeschaft, daarmee zou het moeten kunnen lukken.
Het basis ontwerp voor dit project
De Mu-Stage lijkt op een zogenaamde MU-follower, een ontwerp dat bekender is onder audio zelfbouw liefhebbers.
De grootste verschillen van de MU-Stage ten opzichte van de MU-follower zijn:
- De constante stroombron is bij de Mu-Stage een pentode.
- Er is een minder hoge voedingspanning nodig
- De anodeweerstand van de versterker, de onderste triode, kan veel kleiner zijn
- De uitgangsimpedantie kan veel lager ingeregeld worden
Daarnaast gelden er een paar basisregels voor het ontwerp van zo’n mu-stage:
- Om optimaal te werken moet de spanning over beide buizen ongeveer gelijk zijn.
- De constante stroombron moet nu een kathode stroom kunnen verwerken die minimaal twee maal zo hoog is als de kathodestroom van de versterkerbuis, de triode.
- De constante stroombron krijgt een eigen voedingscircuit.
- lineair versterkertje voor studio hoofdtelefoon -
Eén lezer adviseerden mij om voor een hoofdtelefoon versterker een White Follower te bouwen. Die zou daar beter geschikt voor zijn en je ziet meer audiofielen hier mee experimenteren. Dus onderzocht ik dit fenomeen.
Mr. White vroeg in juli 1941 patent aan op bijgaand schema.
De WCF is feitelijk een Shunt Regulated Amplifier. Om het eenvoudig te houden, dat is een soort van push-pull versterkertrap waarbij de fasedraaier ontbreekt die normaliter aan zo’n schakeling vooraf gaat.
Bij de WCF wordt de onderste buis op het stuurrooster gevoed vanuit de anode van de bovenste buis. Die bovenste buis ontvangt het ingangssignaal.
Het signaal op de anode van de onderste buis is in fase met het signaal op de kathode van de bovenste buis. Ze versterken elkaar dus maar de signaal uitgangsspanning i
s toch zeer beperkt. De onderste buis raakt namelijk heel snel overstuurd.
Ook vervorming van het signaal is een issue. Morgan Jones onderzocht dit en stelde vier bronnen van vervorming vast.
Voor Mr. White was dat geen probleem want hij ontwikkelde de schakeling voor het sturen van video beelden over een laagohmige coax kabel. Voor videobeelden was in die tijd een beetje vervorming geen punt. Niemand die dat zag bij de techniek en de beeldkwaliteit van die dagen.
Deze White follower kan inderdaad een belasting met zeer lage impedanties aan zoals een hoofdtelefoon van 35 ohm. Maar de schakeling levert maximaal 5 à 10 mWatt vermogen.
Dat is waarschijnlijk genoeg voor oordopjes die in je oor zitten maar lijkt onvoldoende om hoofdtelefoons met schelpen om je oor te bedienen.
Op Internet kwam ik ook schematjes tegen van de WCF (jargon voor de White Cathode Follower) met zwaardere buizen zoals 6N6 (antiek niet aan beginnen bijna altijd versleten buizen) en de ECC99 (nog gloednieuw verkrijgbaar 👍).
Die buizen kunnen meer power leveren maar hebben dan wel meer input power nodig om voldoende output te kunnen produceren. Maar alle voorversterkertrappen die ik tegenkwam (ook in commerciële aanbiedingen) gebruiken dan een enkele triode in class A.
Dat levert dan weer geen lineaire versterker op ☹
P.s. Bij bestudering van de patent aanvraag van Mr. Eric Lawrence Casling White kwam ik er achter dat optimale lineaire output niet het doel was van Mr. White. Zijn doel was hoofdzakelijk op economische wijze een lagere output impedantie te verkrijgen.
Daarentegen zocht Alan Kimmel naar betere geluidskwaliteit 😇. Exit the white follower voor dit moment.
Het principe schema
Het principeschema van de MU stage ziet er dan als volgt uit:
- lineair versterkertje voor studio hoofdtelefoon -
Enkele aanvullende regels bij dit principe schema:
- De weerstandwaardes van R3, R4, R6 en R7 hangen met elkaar samen en bepalen de uitgangsimpedantie.
- Condensator C2 moet zodanig groot zijn dat bij een audio frequentie van 10 Hz zijn reactantie (schijnbare weerstand) kleiner is dan 1/10 van de weerstand R7. Deze condensator heeft als functie de spanning op het schermrooster ten opzichte van de kathode stabiel te houden.
- Om verliezen van lage tonen te voorkomen moet de uitgangscondensator C3 zo groot zijn dat bij 10-20 Hz de reactantie kleiner is dan 1/10 van de belasting. Voor een hoofdtelefoon van 300 ohm is dat 530 µF 400V bij 10Hz. Let op! Bij een 40 ohm hoofdtelefoon en 20 Hz zou je dan een condensator nodig hebben van 2000µF 400V!
- lineair versterkertje voor studio hoofdtelefoon -
De werking van de Mu-Stage
De werking van de Mu-Stage kort en krachtig samengevat:
De versterking van het audio signaal wordt geleverd door de triode. Het versterkte signaal gaat via C1 naar de penthode die als kathode-volger staat geschakeld.
Dat betekent dat op de kathode van deze pentode het door de triode geleverde signaal voor 99,9% precies gelijk verschijnt. Het gevolg is dat aan beide zijden van R4 exact de zelfde spanningsverandering (het audio signaal) staat. De stroomverandering door die weerstand is daarom nul.
De triode ziet dus ook geen stroomverandering door die buis optreden. Voor die buis lijkt het daarom alsof de anode weerstand oneindig groot is. In die situatie kan de triode een perfect lineaire versterking leveren.
De pentode levert dus geen versterking en als kathode volger kent hij een lage uitgansimpedantie. Dat is ook wat we nodig hebben om zonder uitgangstrafo rechtstreeks de hoofdtelefoon aan te kunnen sturen.
De spanning, de signaalversterking voor aansturing van de hoofdtelefoon komt dus louter en alleen van de triode.
De pentode fungeert als constante stroombron voor de triode.
- lineair versterkertje voor studio hoofdtelefoon -
De buizen bezetting
In eerste instantie dacht ik aan een EL84 voor de constante stroombron. Die buis kan die functie zeker aan. Maar een volger van de-radio-amateur.nl adviseerde een EF184 als alternatief voor de pentode in combinatie met een ECC82 voor de Triode.
Die EF184 moet met een volgens de datasheet maximale kathode stroom van 25 mA die stroombron functie ook aankunnen. De EC82 heeft om in het rechte deel van zijn karakteristiek te opereren echter minimaal 10 mA nodig. Dat betekent minimaal 20 mA voor de penthode. Dan moet die EF184 zelfs in de minimale optie al tegen zijn grenzen aan opereren.
Lijkt mij geen goede keuze.
- lineair versterkertje voor studio hoofdtelefoon -
Met een ECC83 en 2 à 4 mA moet het wel lukken zegt de buiskarakteristiek. Het risico is hierbij dat die buis te weinig versterking oplevert. Bij een R4 weerstand van 12k (spanningsverlies daar 24 V) levert de EC83 3,6V aan anode wat in 300 ohm 20 mWatt RMS oplevert.
Twee buisjes EC83 parallel zou nog maar maximaal 40 mWatt opleveren en waarschijnlijk minder want de spanningsverlies over R4 wordt nu al 48V!
Een betere optie lijkt dan om de tweede EC83 al voorversterker in te zetten. Dan moet het eenvoudig zijn om bijvoorbeeld 0,3V signaal in te sturen en daarmee krijgen we bij R4 12k *0,6 mA = 7,2 V signaal dat is dan meer dan 150 mWatt RMS in een 300 ohm hoofdtelefoon.
Dan kan die R4 wel weer terug naar 6k8 want 150 mW is niet nodig en teveel van het goede. Dat gaan we uit vinden.
Vraagteken hierbij is ook nog of voorversterker nodig is. De EC83 ziet immers een oneindig grote anode weerstand?
Ook dit moeten we gaan uit vinden.
De EF184 moet bij -1,5V in rust op het stuurrooster en 140V op anode en schermrooster zo’n 11.5 mA kathode stroom opleveren.
De EC83 levert 2 mA dus de weerstand R3 moet dan 9,5mA bij 140V voor zijn rekening nemen. Dat wordt dan 13,5 k en 5 watt (dissipatie = 1,4 watt).
We kunnen met een kleine voedingstrafo volstaan die 1 wikkeling voor 6,3V heeft en 250V hoogspanning. De werkspanning wordt dan 280V. De EF184 krijgt dan140V kathode tegenover 6,3V gloeidraden. Dat is op het randje van wat de buis kan hebben.
We kunnen echter die 6,3V wel een volt op 30 optillen en dan werkt het veilig. De ECC83 heeft daar ook geen probleem mee.
- lineair versterkertje voor studio hoofdtelefoon -
Hoe werkt dat dan?
Misschien vraag je je af hoe die 184 überhaupt kan werken. Het stuurrooster staat immers op -1,5V en wel willen tot 7V signaal aanbieden.
Dan slaat die buis toch enerzijds dicht (bij de negatieve puls van het signaal) en wordt hij anderzijds ver overstuurt (bij de positieve puls van het signaal).
De grap is dat dit allemaal niet gebeurt.
Waarom niet?
Dat heeft te maken met de kathodeweerstand R3. In de grafiek van de EF184 hierboven links heb ik al een voorbeeld gegeven van wat er wel gebeurt. Bij een minimum spanningswisseling op het stuurrooster treedt al een relatief sterke stroomverandering in de buis op.
Die stroomverandering gaat ook door R3 en dus veranderd de spanning over R3 en daarmee de spanning aan de kathode. In de praktijk zal de stroomverandering weer stoppen als de balans tussen kathode en stuurrooster weer in evenwicht is.
Met andere woorden: stijgt de roosterspanning met bijvoorbeeld 5 V dan zal de stroom zoveel veranderen dat ook de kathode spanning 5 Volt stijgt. Het rooster ziet daardoor maar een minimaal verschil in stuurspanning optreden.
In de praktijk is de verhouding tussen stuurrooster verandering en kathodespanning verandering ergens tussen 0,990 en 0,998 uitkomen. De kathode volgt dus de roosterspanning.
Wil je dit principe meer in detail uitgelegd zien ga dan naar hoe werkt de fasedraaier.
- lineair versterkertje voor studio hoofdtelefoon -
Reserve kan geen kwaad
We gaan het met die EF184 proberen. Die buis wordt niet meer gemaakt maar is in de handel nog ruim voorradig. Heb je er twee nodig zoals voor dit stereo versterkertje bestel er dan drie of vier. Voor de kosten hoef je het niet te laten.
Laat je niets wijsmaken over NOS of getest. Heb je pech dan houd je maar twee goede buisjes over. Heb je geluk dan heb je één of twee reserve.
Toch de EL84?
Lukt dat niet met de EF184 en moet het toch een EL84 worden. Jammer is dan dat daarbij een zwaardere voedingstrafo noodzakelijk is zoals bijvoorbeeld een 370CX. Die heeft dan wel weer als voordeel dat we een hogere voedingsspanning kunnen gebruiken (300 à 310V) en dat we de triodes apart kunnen voeden los van de penthodes. Die laatste heeft ter bescherming van de buis een opgetilde gloeispanning nodig die ten opzichte van massa zo’n 150V is.
Om de EL84 in het rechte deel van de karakteristiek te zetten is wel minimaal 30 à 40 mA anodestroom nodig. Als we uitgaan van 35 mA en rekenen op 40 mA kathodestroom dan moet R3 daar waarschijnlijk 35 van voor zijn rekening nemen. Bij 150V wordt dat 4,2k en een warmte dissipatie van ruim 5 watt. Moet dus een weerstand zijn van 15 Watt.
Ai, laten we hopen dat de schakeling met de EF184 werkt.
Het ontwerp waarmee we gaan testen
Je ziet dat het schema een extra voorversterkertrap bevat voor het geval dat de triode onvoldoende power levert om de hoofdtelefoon leuk aan te sturen. Of die voorversterker nodig is? We gaan het zien.
- lineair versterkertje voor studio hoofdtelefoon -
Let op!
Deze eenvoudige voorversterker dient alleen voor experimentele doelen met de MU-Stage en nooit om de MU-Stage definitief aan te sturen. Waarom niet?
Lees verder 😊
Vloeken in de kerk van de audiofiel
Laten we er van uit gaan dat bovenstaand schema leuk werkt. Oke, dan weten we dat enige voorversterking noodzakelijk is om de MU-Stage goed te laten werken. Maar op deze wijze kan dat natuurlijk niet verder gaan.
Waarom niet?
Die prachtige lineaire Mu-stage wordt nu voorafgegaan door een veel minder lineaire voorversterker. Dat moet anders. Veel versterking hebben we niet nodig dus we zouden met 1 extra buisje, een ECC83 met één extra triode voor elk kanaal rond moeten kunnen komen.
De voorversterker wordt dan een MU-follower. Die levert geen hoge versterking maar zoals gezegd we hebben aan een signaalversterking van 5 maal meer dan voldoende.
Zo’n MU-follower vinden we op internet meestal terug met een ECC81 in de bezetting. Die buis is wat krachtiger, steiler, kan grotere ingangssignalen verwerken en kan een lagere bron impedantie leveren.
Grote ingangssignalen zijn hier niet van toepassing en een heel lage bron/uitgangsimpedantie hebben hier niet nodig dus met een ECC83 gaat dit denk ik ook lukken. En zo doende hebben we slechts één buisje extra nodig 😇.
Tot zover, dat is het.
Over enkele weken vervolgen we met de testresultaten
Voor nu, het kastje op de openingsafbeelding bestelde ik bij Ali voor 35 Euro. De aluminium plaat, 3 mm dik, dus lekker stevig, bestel je bij André van Beynum of bij metaalwinkel.nl.
-
Koos Overbeeke
Terug van lineair versterkertje voor studio hoofdtelefoon naar de radio amateur Audio