Inhaltsverzeichnis
Einleitung
10. Juni 2010
Als Lautsprecher verwende ich vier Quad ESL 57. Sie stellen eine sehr schwierige Last dar und es ist nicht einfach, eine adäquate Endstufe für diese Lautsprecher zu finden. Eine Hauptanforderung an die passende Endstufe ist Kurzschlussfestigkeit. Besonders schwierig wird es, da ich jeweils zwei Lautsprecher pro Kanal benutze, die parallel verschaltet werden. Endstufen, die auf einem Stromquellenkonzept basieren, wie die Zen oder die Aleph, sind hierfür natürlich ideal geeignet. So betreibe ich die Lautsprecher auch schon seit einiger Zeit sehr erfolgreich mit den kleinen Zens. Diesen fehlt es allerdings ein wenig an Leistung, weshalb ich den Wunsch hegte, ein ähnliches Konzept mit mehr Ausgangsleistung zu realisieren.
Durch den langjährigen Einsatz der Zen Endstufe habe ich selbstverständlich die weitere Entwicklung rund um die DIY-Homepage von Nelson Pass verfolgt. Nachdem ich aufmerksam eine Diskussion über den Nachbau eines Aleph J im Forum der AAA verfolgt hatte und dort die ersten positiven Ergebnisse gemeldet wurden, entschied ich mich Mitte 2010, ein Paar dieser Endstufen in Mono-Bauweise aufzubauen.
An dieser Stelle möchte ich vorausschicken, dass sich das Design dieser Endstufe hauptsächlich auf das folgende Patent von Nelson Pass stützt, in dem die Aleph-Stromquelle beschrieben wird.
- Amplifier Having an Active Current Source
Nelson S. Pass
US 5710522, Jan. 20, 1998
Schaltungsbeschreibung
01. Juli 2010
Die Aleph J orientiert sich am Schaltungsdesign der Aleph-Serie. Auch hier handelt es sich um ein zweistufiges Konzept mit einem p-Kanal JFET Differenzverstärker mit Stromquelle im Eingang und einer Single-Ended Class-A Ausgangsstufe, die auf dem Konzept der Active Current Source mit zwei parallel geschalteten Ausgangsstufen basiert.
In der zugehörigen Bedienungsanleitung beschreibt Nelson Pass den Verstärker selbst wie folgt:
…
Meanwhile, it’s been about 13 years since I designed the Aleph 3, and I have such affection for that series that I revisited the design.
…
The Aleph J has about 15dB less negative feedback than the original and achieves comparable distortion, bandwidth and damping figures. It also has about 15dB less noise. Those of you with delicate tube preamps will be happy to see a 242kΩ input impedance with vanishing capacitance.
I consider it the best of the Aleph series.
The Aleph J carries on in the tradition of the Pass Labs Aleph series, combining those elements that were particularly right about the Aleph 3 and 30, and re-thinking those areas open to improvement. Unlike its First Watt predecessors the F1 and F2, the Aleph J is a voltage source amplifier – a regular sort of amplifier like the ones you already know and love.
There are differences between the Aleph J and its predecessors:
- Improved power supply filtration with about 20dB less voltage ripple
- Reduced gain on the active current source, giving better overall performance into 8-16 ohm loads
- Input stage using high quality matched JFETs
- Much higher input impedance and vanishing capacitance
- 15dB less negative feedback
- Even greater stability, operating without lag compensation
- 15dB less noise
- No electrolytic capacitor in the signal path
Some things have remained the same – the Aleph J has the same basic 2-stage topology and uses output MOSFETs operating in single-ended Class A mode. It’s distortion is still 2nd harmonic, and it’s sound is still natural and liquid. It is still very reliable. I don’t know of a load that can
damage it.…
Die veröffentlichten technischen Daten zu dem Verstärker lauten:
| measured at 120V AC with an 8Ω load | |
| Input Impedance | 242kΩ (RCA input) |
| Damping Factor | 20 |
| Output Power | 25W with 1% THD at 1kHz 30W clipping |
| Gain | 19.6dB |
| Input for 25W output | 1.5V |
| Maximum output voltage | ±21V |
| Maximum output current | ±2.5A |
| Noise | 100µV unweighted, 20Hz-20kHz |
Ich habe noch einige geringfügige Änderungen gegenüber dem Original durchgeführt. So ist nun sowohl die Stromquelle des Eingangsdifferenzverstärkers als auch der Wert der beiden Stromquellen am Ausgang einstellbar. Beides gibt mir die Möglichkeit, den Arbeitspunkt der Endstufe zu beeinflussen. Besonders wichtig ist dabei die Einstellung des Stroms am Eingangsdifferenzverstärker, da sich dessen Wert direkt auf die Offset-Spannung am Lautsprecherausgang auswirkt.
Bei den Source Leistungswiderständen und den Widerständen am Ausgang habe ich jeweils zwei parallel geschaltete 1Ω/2W Widerstände verbaut. Als Koppelkondensator im negativen Eingang verwende ich die gleichen 10µF Folienkondensatoren von Panasonic wie in meinem X0 Nachbau. Der Koppelkondensator in der Rückkopplung der Aleph Current Source besteht aus einem 220µF Panasonic FC Elko und einem parallel geschalteten 47nF Folienkondensator von Panasonic (gleicher Typ wie oben).
Da Nelson Pass die Schaltung dieses Verstärkers nicht veröffentlicht hat, möchte auch ich davon absehen. Interessierte werden aber sicherlich im Forum der AAA oder auf DIYAudio fündig. Alternativ können sie sich auch per E-Mail bei mir melden.
Inbetriebnahme der Prototypen
01. Juli 2010
Die erste Aleph J Endstufe habe ich auf einem Kühlkörper von HiFi 2000 (300mm × 210mm × 40mm) aufgebaut. Der Kühlkörper hat eine angegebene Wärmeleitfähigkeit von 0,2K/W, gemessen sind es aber eher 0,3K/W. Die Betriebsspannung stammt von zwei regelbaren Netzteilen aus der Automatisierungstechnik. Beim Einbau hatte ich beide Abgleichwiderstände (siehe oben) auf die Werte der entsprechenden Widerstände der originalen Schaltung eingestellt.
An dem Trimmer für die Ausgangsstromquellen musste ich nichts ändern. Der Strom lag ziemlich genau bei 1,15A pro Stromquelle bei einer Spannung von ca. 570mV über den Source Widerständen. Die Abweichung zwischen den einzelnen MOSFETs lag unter 10mV, was für sehr gut gematchte Transistoren spricht. Ich habe sie bei eBay erstanden. Die Source Widerstände habe ich übrigens einfach ungeprüft aus der Tüte in die Schaltung eingelötet.
Ich musste den Strom der Stromquelle des Eingangsdifferenzverstärkers anpassen. Nachdem die Endstufe ihre Arbeitstemperatur erreicht hatte, konnte ich den Offset auf ca. 0,7mV einstellen. Eine längere Untersuchung der Offset-Spannung am Lautsprecherausgang steht jedoch noch aus. Allerdings stellte sich dieser Wert bisher bei jedem Einschalten nach dem Aufwärmen der Schaltung wieder ein.
Allein mit einer Aleph J lässt sich sagen, dass der Austausch der Zen Endstufen meine Anlage deutlich verbessern wird. Die Unterschiede sind wirklich sehr gravierend, weshalb ich ungeduldig auf das fehlende Material warte, um endlich die beiden Endstufen in Betrieb nehmen zu können.
In der Zwischenzeit laufen beide Endstufen als Prototypen. Die Netzteile entsprechen auch schon weitestgehend den endgültig geplanten ungeregelten Netzteilen mit einer CRC-Filterung (4× 47.000µF und 2× 0,2Ω). Die Ringkerntransformatoren sind Sonderanfertigungen in gewohnt guter Qualität von RONDO Ringkerntransformatoren der Müller Elektrotechnik GmbH.
Wie oben bereits beschrieben, habe ich die Trimmer der Ausgangsstromquellen auf den Wert des Originalwiderstandes belassen. Nachdem ich jedoch den Einfluss an einer Endstufe gemessen habe, bin ich zu dem Schluss gekommen, dass ein einstellbarer Widerstand an dieser Stelle völlig überflüssig ist. Folglich habe ich an beiden Endstufen den Trimmer durch einen festen Widerstand ersetzt.
Zu den klanglichen Eigenschaften kann ich nur sagen, dass sie meine Erwartungen bei Weitem übertroffen haben. Die Aleph J ist der Zen haushoch überlegen und bringt Details zum Vorschein, die ich auf meinen LPs/CDs noch nie gehört habe.
Die Aleph J ist ein sehr großer Schritt nach vorn für meine Anlage !!!
Aufbau der Endstufen
08. Oktober 2010
Meine Tests mit den Prototypen haben gezeigt, dass es sich lohnt, jeden Lautsprecher meiner Stacked Quads einzeln mit einer Aleph J zu betreiben. Das heißt, ich benötige insgesamt vier Endstufen. Ich habe mich deshalb entschlossen, zwei Stereo-Endstufen zu bauen, eine pro Kanal.
Die Basis dieser Endstufen bilden die Pesante Dissipante 5U Gehäuse von HI-FI 2000 mit zwei der oben genannten Kühlkörpern (Bestellnummer 1NPDA05300B). Das Gehäuse besteht vollständig aus Aluminium und verfügt über eine 10 mm dicke Frontplatte in Silber, eine Bodenplatte ohne Lüftungsschlitze und eine Deckplatte mit Lüftungsschlitzen.
Da mir die 2SJ109BL für vier Endstufenmodule nicht mehr ausreichten, habe ich eine Überarbeitung der Leiterplatte durchgeführt und im Eingangs-Differenzverstärker zwei gematchte 2SJ74BL verwendet. Außerdem ist die überflüssige Einstellung der Ausgangsstromquellen entfallen (siehe oben). Zudem habe ich die Leiterbahnen für die Betriebsspannungen und den Ausgang noch einmal verbreitert.
Jedes Aleph J Modul ist auf einem Kühlkörper montiert. Dadurch lassen sich die vier Leistungs-MOSFETs direkt in die Leiterplatte einlöten, was sehr kurze Signalwege ermöglicht. Ein Thermoschalter überwacht die Temperatur und unterbricht die 230V/AC Zuleitung, sobald 75°C überschritten werden. Zudem habe ich einen Aluwinkel auf beide Kühlkörper montiert, an dem die Montageplatte für das Netzteil befestigt wird.
Um pro Kanal jeweils eine Stereoendstufe einzusetzen, muss das Eingangssignal eines Kanals auf beide Endstufenmodule geleitet werden. Da der Eingangswiderstand der Aleph J sehr hoch ist (siehe oben), gibt es bei der Parallelschaltung keine Probleme. Allerdings wollte ich die Stereoendstufen so flexibel wie möglich halten, um sie auch für eine 2-Kanal Anwendung einsetzen zu können. Aus diesem Grund gibt es auf der Rückseite einen Schalter, mit dem sich beide Eingänge separat (Stereo) oder parallel (Dual Mono) schalten lassen.
Ich habe zusätzlich jeweils ein Muting-Modul an die Ausgänge beider Endstufen angeschlossen. Mit dieser Schaltung werden die Ausgänge beim Ein- und Ausschalten kurzgeschlossen, um unschöne Geräusche zu verhindern. Die Basis für das Muting-Modul ist ein entsprechender Schaltungsteil der originalen XOno.
Auch diese Endstufen werden in meiner Anlage vom Vorverstärker aus ferngesteuert ein- und ausgeschaltet, wofür ich eine Remote Schaltung benötige. Zudem sind die Trafos mit ihren ca. 400VA knapp an der Grenze, um durch den Einschaltstrom die Haussicherung auszulösen. Deshalb verwende ich in den Aleph J die gleiche Remote-Schaltung mit Rush-Strom Begrenzung wie in meiner Hypex Endstufe.
Da sich meine Prototypen absolut still verhalten (selbstverständlich nur ohne Signal), habe ich davon abgesehen, die Betriebsspannung zu regeln. Für die beiden Stereo-Endstufen verwende ich jeweils einen Ringkerntrafo für beide Kanäle (400VA / 4x 19,5V/5A). Dies weicht zwar von meiner grundsätzlichen Philosophie des Doppel-Mono Aufbaus ab, jedoch spare ich so Platz im Gehäuse. Beim Einsatz einer Stereoendstufe pro Kanal habe ich wieder die von mir favorisierte Trennung der Netzteile pro Kanal. In der 230V/AC Zuleitung des Transformators setze ich zwei 22.000µF/25V Elkos und einen Brückengleichrichter als DC-Filter ein.
Nach dem gemeinsamen Transformator sind die Betriebsspannungsversorgungen für beide Kanäle der Endstufe in bewährter Doppel-Mono Bauweise ausgelegt. Pro Kanal gibt es zwei Gleichrichter und eine CRC-Filterung mit vier 47.000µF/40V Elkos und zwei 0,22Ω/25W Widerständen. Die beiden Massen (linker und rechter Kanal) sind jeweils über einen Brückengleichrichter mit Erde verbunden.
Abschließend folgt noch ein Bild der Rückseite der Endstufe. Zu sehen sind die beiden Eingänge (XLR-Buchsen) sowie die Lautsprecherausgänge, die auf beiden Seiten der Rückwand den jeweiligen Kanälen zugeordnet sind. Mittig oben befindet sich der Stereo/Mono Umschalter, darunter der Netzschalter und die Netzbuchse mit integrierter Sicherung. Daneben sind links und rechts der Ein- und Ausgang für das Remote Signal (6,3mm Mono Klinke) montiert.
Umbau 2022
24. Dezember 2022
Seit Mai 2022 setze ich eine meiner beiden Aleph J Stereo Endstufen im Hochtonbereich meines RQM Lautsprechersystems ein. Auch wenn die XA30.8 die besseren Endstufen sind, leistet die Aleph J wirklich gute Dienste als Antrieb für die Air-Motion-Transformer. Zudem hat mich die Faszination für die Single-Ended Class-A Technik der Aleph J nie verlassen.
Leider machen sich meine beiden Endstufen mittlerweile durch deutlich vernehmbare Störgeräusche bemerkbar. Ich bin mir sicher, dass dies auf einen Temperatureffekt zurückzuführen ist. Leider haben meine Versuche, das Problem zu beheben, nicht zum Erfolg geführt. Deshalb entschloss ich mich im Oktober 2022 zu einem Redesign der Audio-Leiterplatte.
Dabei habe ich nicht nur eine neue Leiterplatte entworfen, sondern auch einige – meiner Meinung nach sehr sinnvolle – Änderungen an der Schaltungstechnik vorgenommen.
- Um die JFET’s im „Sweet Spot“ zu betreiben fügte ich Kaskode-Transistoren in die Eingangsstufe ein.
- Die Referenzspannung der Eingangsstromquelle wird nicht mehr von einer einfachen Zenerdiode erzeugt.
- Für die Stromquelle verwende ich einen Bipolartransistor im TO-225 Gehäuse (höhere Verlustleistung).
- Zuschaltbarer Servo Regler für einen geregelten gleichspannungsfreien Ausgang.
Auf dem Bild oben ist die bestückte Leiterplatte meiner Aleph J R2 zu sehen. Bei genauerer Betrachtung erkennt man unterhalb des Trimmers vier Transistoren im TO-92 Gehäuse. Zwei davon sind die 2SJ74BL, die anderen beiden sind BC560C Bipolartransistoren, die als Kaskode für die JFETs arbeiten. Mithilfe dieser Transistoren kann ich die JFETs in ihrem Sweet Spot betreiben.
Mithilfe des Trimmers wird der Strom der Eingangsstromquelle eingestellt, wodurch sich letztendlich auch der Ausgangs-Offset verändert.
Auf der Lötseite der Leiterplatte ist der als Servoregler arbeitende Operationsverstärker zu sehen. Die beiden Transistoren setzen die Betriebsspannung des Verstärkers auf die vom OP benötigten ±15V herab. Der Servoregler wird erst per Jumper aktiviert, nachdem der Offset am Ausgang der Endstufe durch einen manuellen Abgleich der Eingangsstromquelle optimal eingestellt wurde.
seit dem 22. Dezember 2022 läuft die Aleph J R2 in meiner Anlage