Fixpreisangebote

Quad 405 Revision

Komplett-Überholung mit 3 Jahren Garantie*
*Erläuterung siehe Garantiebestimmungen

english version

Überarbeitung Grundpreis ca. 700€, noch nicht exakt berechnet, bislang nach Aufwand.

Revisionsumfang: 2 neue Endstufenmodule a je 230€, 2 neue Ladekondensatoren a je 25€ (Nettopreise),  Einbau ca. 1 Stunde bei Stereo-Version unter Beibehaltung vorhandener Anschlüsse.

Übersicht des ersten Exemplars mit den neuen Platinen

Quad 405 - bahnbrechend neu

So zumindest konnte man deren Konzept Mitte der 1970er Jahre bezeichnen, was ich nun daraus gemacht habe ist ebenfalls Neuland. Auf das "current dumping"-Konzept gehe ich weiter unten noch ein. Beim hier besprochenen Modell war das neue und damals von Quad patentierte Konzept zum ersten Mal in Serienfertigung im Einsatz. Die Quad 405 wurde in zwei Haupt-Varianten über mehr als ein Jahrzehnt zu mehreren zehntausend Stück verkauft und war ein zuverlässiges Zugpferd für den Hersteller, wenn Sie auch nicht den wirtschaftlichen Erfolg brachte, den die technische Genialität versprach. Zum Verbleib auf "Geheimtipp-Niveau" mag weiterhin auch die etwas sture britische Auslegung beigetragen haben. Und auch ein paar unnötige technische Unzulänglichkeiten wären besser beseitigt worden. Aufzählen könnte man da

• die Masse-arme, aber auch nach britischen  Maßstäben etwas dünne/hochohmige Innenverdrahtung mit Verwendung des geerdeten Gehäuses als zentralem Masse-"Punkt", angeschlossen neben dem Gleichrichter
• die gewöhnungsbedürftigen Lautsprecherklemmen (gleiche Denkweise)
• für lange Zeit der fehlende Netzschalter und die 240°DIN-Eingangsbuchse
• die invertierende und alles andere als "rauscharm" zu nennende OP-Eingangsstufe der Endstufen-Module

All das lässt sich akzeptieren. Was man dagegen weniger gut erträgt, ist der inzwischen bei nahezu allen Exemplaren nicht mehr zu vernachlässigende Verschleiß:

• zerfressene, aufgeplatzte und auslaufende Hauptnetzteil-Ladeelkos,
• aufgeplatzte, weinrote Röderstein Klein-Elkos im Kunststoff-Becher mit mehr oder weniger großem Kapazitätsverlust, die Folge sind brummen und geringere Leerlaufverstärkung bzw. schlechte Anstiegszeiten der negativen Flanke
• verschiedene durch Wärme verschlissene oder durch vorherige Reparaturen beschädigte Platinenbereiche

Keith Snook

Nun hat mich bei einem Eigengerät ein britischer Hifi-Interessierter (offenbar Ingenieur) auf die Idee gebracht, außer einer Standard-Revision auch seine Änderungsvorschläge mal einzubauen. Beschrieben hat Herr Snook seine Erkenntnisse auf seiner Internetseite. Dort deckt er unter anderem die weniger vorteilhaften Kompromisse auf, die in der Konstruktion und Fertigung der 405 gemacht wurden und die gerade in diesem Modell ein wenig die überragende Theorie der Erfindung konterkarieren - was in späteren Modellen weit weniger der Fall war, daher entnimmt er auch einige Vorschläge für Schaltungsänderungen aus den Nachfolgemodellen. Ich finde jedoch, dass die 405 in ihrer noch etwas konventionelleren Auslegung mit ein paar Stütz-Elkos den mit Kondensator-Ersatz-Schaltungen auf Halbleiter-Basis total (hyper-)aktivierten Nachfolgern auch ein paar Vorteile entgegen setzt. Stütz-Elkos mögen ja Verschleiß aufweisen, doch solange sie funktionieren "beruhigen" und "wärmen" sie auch das Klangbild. Gerade in der modifizierten Form der 405 gilt das besonders, wenn man den Charakter z.B. mal mit einer intakten Quad 606 vergleicht. Die jüngste bei Snook genannte 405-Modifikations-Variante hatte ich ja getestet und war sehr angetan vom Ergebnis. Nur, leider, war der Umbau auf den vorgeschlagenen bzw. von mir gewünschten Stand alles andere als einfach, Quad hat mindestens bei den Platinen der ersten Version die Beine der bestückten Bauteile vor dem Verlöten rückseitig flach gedrückt, es macht daher eine Heidenarbeit, eine größere Zahl Teile wieder zu entfernen.

So kam bei mir bereits vor Jahren der Entschluss auf, eines Tages Snook's jüngste Vorschläge in Form eines eigenen Layouts zu verwirklichen. Dieser Entschluss blieb mangels Kapazitäten lange unverwirklicht. Ende 2015 bzw. im Frühjahr 2016 haben dann zwei Kunden ihre 405er zur Revision angemeldet. Doch auch jetzt blieb die Entwicklung noch ruhen, bis das erste Gerät die Warteschleife durchlaufen hatte, da der Kunde keinen Ersatz hatte, habe ich den Fall dann mit etwas erhöhter Dringlichkeit auf den Tisch genommen.

Eigene Ersatz-Platine

Nun waren bei dieser Quad 405 die Endstufen-Boards in wirklich zu miserablem Zustand für eine Kombination aus normaler Reparatur und Modifikation, daher habe ich dann erst recht alles an die Entwicklung einer eigenen Platine gesetzt. Weitere Motivation: Google zeigt seit Jahr und Tag, dass das häufigste zu meiner Homepage führende Schlagwort "Quad 405" ist. Es gab zwei Möglichkeiten: die als funktionierend bekannte Umbau-Version von Snook elektrisch unverändert eins zu eins in ein Layout umzusetzen, oder den letzten Vorschlag in Keith Snook's Weiter-Entwicklungs-Liste.

Was überhaupt nicht in Frage kam, war der Einsatz eines der vielen angebotenen Fernost-Billig-Ersatz-Boards (die sind im wesentlichen reine Klone des Originals) oder teurer Mitbewerber (da hat man die Details dann halt nicht im Griff).
Dazu kommen noch ein paar persönliche Vorlieben, z.B. relativ große Stütz-Elkos nach der Absicherung im Stil und der Auswahl wie bei Symphonic-Line-Endstufen, das ganze sowohl im Treiber-, wie auch im Leistungs-Bereich, möglichst auch noch so, dass im Hörbereich kein deutlich erkennbarer Impedanz-Wechsel stattfindet. So was kann man nur selber machen, solche Wünsche lassen sich nicht zukaufen oder auch nur halbwegs ansehnlich nachrüsten.

Ich hatte mich trotz der Anmerkung "teils VHF-unstabil" für die letzte, wesentlich vereinfachte Snook-Variante entschieden und war davon ausgegangen, der Schaltplan sei im Grunde bereits erprobt, habe zwecks Stabilisierung ein Layout mit entsprechenden Kompensations-Maßnahmen dazu gemacht und eigentlich erwartet, dass das dann mit ein wenig Feinarbeit in der Dimensionierung getan sei.
Weit gefehlt, hat absolut nicht funktioniert. Die 30A-Dumper-Transistoren sind im Last-Test bei einigermaßen hohen Frequenzen oder steilen Abwärts-Flanken einfach gestorben. Das Verhalten war dabei derart asymmetrisch, dass ich schwer überlegt habe: vorwärts entwickeln oder zurück zu modifizierten Fassung. Da man nach Murphy's Gesetz in beiden Fällen verliert, fand ich die innovativere Lösung die attraktivere. Nach all den Versuchen und Erkenntnissen mit der Erstfassung wollte ich trotz höherem Risiko lieber voran und erforschen, wie man diese an sich optimal gewählten Hochleistungs-Dumper korrekt anschließt, wie sich das Quad-Kernkonzept voran bringen lässt.

Konsequenz: eine vollkommen symmetrierte Fassung des Class-A-Verstärkers ohne Bootstrap-Kondensatoren-Stromquelle (wie bei Quad) oder Ring-of-Two-Stromquelle (Snook) als Class-A-Last, sondern zwei gesteuert gegeneinander arbeitende Komplementär-Zweige mit automatischer Ruhestromregelung.
Nach den ersten 10 für um die 120€ bestellten, unbrauchbaren Platinen waren die nächsten 10 Stück dann schon eher brauchbar. Aber das verkleinerte und jetzt symmetrische Problem war immer noch nicht verschwunden, noch nicht mal erklärt. Offensichtlichere Fehler im Konzept hatte ich schnell geändert, doch erst mit der korrekten Ankopplung der Dumper lief die Sache rund und wurde dann einige Zeit an Lautsprechern erprobt. Insgesamt waren an dem Board aber bereits schon wieder zu viele Änderungen montiert, um das einem Kunden zuzumuten.

Also ging das dritte Layout in Fertigung. Das erst war dann auf Anhieb in jeder Beziehung brauchbar und belastbar.
Nachdem die Hörtests ansprechend waren, habe ich gewagt, das Gerät noch vor der Abreise in den Urlaub auf den Rückweg zu bringen.

Letzte Fassung der eigenen Quad-Weiterentwicklung, die Symmetrierung der eigentlichen Endstufe hat aus Platzgründen die Verwendung einiger SMD-Teile auf der Rückseite zur besseren Wahl gemacht.

Das Ergebnis ist nach wie vor die gleiche Grundschaltung mit einigen wesentlichen Verbesserungen. Getestet wurde das Gerät auch mit 20kHz Vollast an 8Ohm, die Crowbar-Schutzschaltung ist wie bei der Quad 405 MK2 auf dem Board integriert. Rauschen, Ein- und-Ausschalt-Knacks, so was kennt das Gerät nicht, der rauscharm und gut gepuffert versorgte Eingangs-OP ist der TI/BB-Typ OPA134, der in ähnlicher Anwendung in der dual-Version bereits beim Musical Fidelity A1 überzeugen konnte.

erst beim dritten Layout hatte ich alles so platziert, dass die hohen Stütz-Elkos der Endstufe exakt zwischen die Netzteil-Ladeelkos passen. Allerdings sind diese Stütz-Elkos den Verschraubungen des Kühlwinkels (noch) etwas im Weg.

Weitere Erkenntnisse:

Ich habe festgestellt, dass der Dämpfungsfaktor von 175 an meinen 2-Wege Bluesline-Standlautsprechern weitaus zu hoch ist. Für Zwecke der Mono-Parallelschaltung (Mono-Block) ist auf den Boards bereits ein zweiter Lautsprecher-Ausgang über einen 0,22Ohm-5W-Widerstand vorgesehen. Das entspricht z.B. dem Ausgang sämtlicher Farlowe-Exposure-Verstärker. An diesem Anschuss lief bei mir an der kleinen Standbox alles dynamischer, sauberer und luftiger. So habe ich den ersten Verstärker dann auch verschickt, es kann an anderen Lautsprechern auch der andere Anschuss der bessere sein, das kann man nur durch Versuch heraus finden.

Beim anderen Kanal blickt man von oben auf die andere Seite der Platine

Current Dumping by Quad

Gängige Methoden zur Verringerung von Verzerrungen

Die Zielsetzung des Konstrukteurs ist wie bei jedem Analog-Verstärker, dass das Eingangs-Signal einzig um den Verstärkungsfaktor im Spannungs-Pegel multipliziert wird, sich dagegen am Verlauf der Kurvenform außer dem Maßstab nichts ändert. Dabei stößt man immer auf das Problem, dass die in Energiefragen sparsamsten Schaltungs-Auslegungen ihren guten Wirkungsgrad dem (Halbwellen- oder Puls-Längen-)Abschalten von Schaltungs-Teilen verdanken. Folge ist stets das Durchlaufen des Abschalt-Kennlinien-Knicks entsprechender Leistungs-Bausteine. Die althergebrachten Methoden, die dadurch entstehenden Verzerrungen zu vermeiden oder zu korrigieren,  sind entweder Vermeidung solcher Kennlinienknicke (z.B. durch mehr Ruhestrom bis hin zu Class A) oder die Reduzierung der Verstärkung bzw. die Opferung eines Großteils der Verstärkung zur Reduzierung der Verzerrung. Das funktioniert normalerweise so, dass ein Verstärker mit hoher Leerlaufverstärkung in einen vergleichenden Modus versetzt wird, dabei wird das durch Widerstände in einem festen Verhältnis geteilte Ausgangs-Signal permanent mit dem Eingangs-Signal auf Identität verglichen. Nur wenn die Eingangsstufe dazwischen keinen Unterschied mehr "sieht", unterbleibt eine weitere Änderung des Ausgangssignals unter Einsatz der gesamten Leerlauf-Verstärkung. Der resultierende Verstärkungsgrad entspricht damit genau dem Teilerverhältnis der Widerstände. Hat man beispielsweise einen Verstärker, der im Leerlauf 100000fach verstärkt (= +100dB "open-loop"-Verstärkung) und versieht diesen mit einem Spannungsteiler 10:1 (= -20dB), so werden 80dB der Verstärkung als Gegenkopplung zur Linearisierung eingesetzt. Um genau dieses Maß reduzieren sich auch die (linearen) Verzerrungen, hätte der Verstärker ohne Gegenkopplung meinetwegen ein Verzerrungsmaß von 15% Klirrfaktor, so reduziert sich dieser (alle Nebeneffekte vernachlässigt) um den Faktor 10000  auf 0,0015 - durchaus gebräuchliche Werte.
In gleichen Maß, wie der Linearitätsfehler abnimmt, steigt auch die Bandbreite, also der Frequenzgang. Gleichzeitig wird der (virtuelle/differentielle) Innenwiderstand des Verstärkers entsprechend geringer. Ideal könnte man denken, nur bekommt man in der Physik leider selten etwas geschenkt, denn an der eigentlich wichtigen Kenngröße der Anordnung, dem Bandbreite-Verstärkungs-Produkt, ist auf diese Weise nicht zu rütteln.

Nun ändert dieses Verfahren auch nichts an der mangelhaften Linearität und dem Klirr-Spektrum der Grundkonstruktion, mildert diese stets nur im Maßstab des Gegekopplungs-Grades und kann sie nicht einmal theoretisch je auf Null reduzieren. Und mit dieser Methode tauchen gleichzeitig auch umgehend andere Probleme auf, als die ursprünglichen Linearitätsfehler. Denn jetzt kommen Faktoren wie die Signallaufzeit störend ins Spiel, die für einen nicht gegengekoppelten Verstärker noch völlig unwichtig waren. Am Eingang eines gegengekoppelten Verstärkers wird im Grunde immer ein aktuell ankommendes Signal mit dem um eine Verstärkerlaufzeit verzögerten, verstärkten und geteilten Eingangs-Signal aus der Vergangenheit verglichen. Sowie solche Verzögerungen mit hohen Gegenkopplungs-Graden zusammen treffen, steigt die Neigung zu einem gewissen Eigenleben, die Verzögerung entspricht einer Phasendrehung, die Gegenkopplung wird  zur Rückkopplung und der Verstärker im schlimmsten Fall zum Oszillator. Von einem Allheilmittel Gegenkopplung zur Linearisierung kann also keine Rede sein, hier bezahlt man den geringeren Klirrfaktor mit dynamischen Problemen wie Schwingneigung, daraus resultierenden Verdeckungseffekten oder bestimmten Intermodulations-Verzerrungen. Bei gleichförmigen Mess-Signalen mag das gar nicht auffallen, hier zählt der Klirrfaktor als Einzel-Größe meinetwegen noch ein wenig. Zu schlecht sollte dieser Wert sowieso nicht sein, auf zwingend weniger als 0,1% (< -60dB) kann man sich getrost ohne Diskussionen einigen. Doch wer wiederum hört sich eigentlich in seiner Freizeit gern reine Sinustöne an?

Das Linearitäts-Problem kann man mindestens teilweise durch Bauteile-Auswahl, Schaltungsauslegung und Einstellen hoher Ruheströme näher an der Wurzel packen, als durch eine Viel-hilft-viel-Gegenkopplung mit ihren ganzen Nebenwirkungen. Doch meist ist das auch mit höherem finanziellem Aufwand für Teile und/oder Energie verbunden.

Vorwärts-Korrektur und Kombination zweier Verstärker-Typen

Der Ansatz des "current-dumping"-Prinzip geht daher einen teilweise anderen Weg, hier setzt man auf einen hochwertigen, aber trotz vollem Spannungshub nur wenig belastbaren Class A Verstärker hoher Güte, der einerseits per Gegenkopplung linearisiert wird, andererseits den Lautsprecher treibt wie eine Push-Pull-Röhrenstufe mit Anodenausgang, also ohne lokale Gegenkopplung durch den Lautsprecher-Strom (ähnlich Musical Fidelity bzw. entsprechend dem Abacus-Rieder-Konzept). Bis hin zu Strömen von wenigen zehn Milliampere schafft es dieser Präzisionsverstärker noch, den Lautsprecher über einen Koppelwiderstand alleine zu bedienen, da haben wir gerade mal niedrige Zimmerlautstärke. Wird mehr Strom verlangt, kommt der sogenannte "Dumper" ins Spiel, ein reiner Class-B-Verstärker mit leistungstarken End-Transistoren, der durch die Spannung angesteuert wird, die der Laststrom an dem Koppelwiderstand hervor ruft. Nun hat ein Class-B-Verstärker bei hervorragendem Wirkungsgrad aber deutliche Nulldurchgangs-Verzerrungen, die man so nicht gerne hören will.

Und jetzt kommt der Trick: der Leistungs-arme Class-A-Präzisionsverstärker wird auf die noch Leistungs-ärmeren Fehler des Class-B-Dumpers angesetzt, um sie möglichst vollständig zu kompensieren, das geschieht mit Hilfe von Gegenkopplung einerseits und Vorwärts-Korrektur andererseits. Um ein mathematisch wie praktisch präzises Auslöschen der Dumper-Fehler zu erreichen und unter dem Strich einen sparsamen Hochleistungs-Verstärker mit reiner Class-A-Charakteristik und ohne Verzerrungen durch lokale Strom-Gegenkopplung zu erhalten, wird eine Brückenschaltung aus vier Bauteilen verwendet. Die einfache Variante wäre, dazu einzig Wirk-Widerstände einzusetzen, doch bei Quad verfolgte man zusätzlich das Ziel, billige, Leistungs-starke (und dadurch üblicher Weise recht langsame ) Dumper verwenden zu können. Und so wurden möglichst vorteilhaft auch Schein-Widerstände in der Brücke eingesetzt: Die Dumperstufe erhält in ihrem Leistungs-Brücken-Zweig eine (verlangsamenden) Spule, der Class-A-Gegenkopplungs-Brückenpfad dagegen einen (beschleunigenden) Kondensator. Höhere Frequenzen fallen also bevorzugt dem präzisen A-Verstärker zu, der Dumper bleibt für's Grobe. Das Ganze wird so aus-tariert, dass dadurch eine nahezu beliebige Auswahl an Strom-starken Leitungstransistoren als Dumper funktioniert.

Nun wird der zweigleisig gegengekoppelte Class-A-Verstärker bei exakter Balance der Brückenschaltung der Gesamtschaltung nahezu vollständig seinen Charakter aufzwingen. Der von ihm gesteuerte und vorwärts korrigierte Class-B-Dumper-Verstärker muss dabei die hohen Ströme übernehmen, die der A-Verstärker auf ihn nach kurzer Zeit "abwirft", um sich selbst unbeschwert um den genauen weiteren Verlauf der Spannungskurve kümmern zu können. Beide Komponenten haben keinerlei Neigung zu thermischer Instabilität und der A-Verstärker entwickelt gerade mal um die 4,5W Wärmeleistung pro Kanal, der Dumper erwärmt sich ohne Signalströme überhaupt nicht. Übrigens spielt es für die Funktion des Prinzips keine Rolle, ob der Dumper-Strom die zur Ausgangs-Spannung passende Richtung hat, für umgekehrt verlaufende Blindströme herrschen exakt die gleichen Verhältnisse, der Verzerrungsgrad steigt dadurch in keiner Weise.

Tech Talk zur Eigenentwicklung

Die Unterschiede zwischen der erprobten Snook-Modifikation und dem weiter führendem Vorschlag bestehen in folgenden Punkten:

• die Bootstrap-Schaltung des Class-A-Verstärkers aus Leistungs-Spannungsteiler und Elektrolyt-Kondensator wurde durch eine Transistor-Stromquelle ersetzt,
• die Dumper-Transistoren wurden zu komplementären 30A-Leistungs-Darlington-Typen mit vereinfachter Ankopplung.

Der Snook-Schaltplan

Den Vorschlag habe ich nahezu unverändert in ein Layout übernommen, noch mit relativ unpräziser Position der Endtransistoren am Kühlkörper. Netzteil-Masse und Eingangs-Masse haben je einen Verteil-Sternpunkt erhalten (beim Eingang war eine Leiterbahn durch eine Änderung wieder verloren gegangen) und für die Beseitigung der bei Snook erwähnten VHF-Instabilität wurden Positionen für mögliche Kompensations-Kondensatoren in SMD-Technik vorgesehen. 

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Im Schaltplan ist die weitgehende Übereinstimmung mit Snook's Vorschlag zu erkennen. Die großen Stütz-Elkos beider Schaltungsteile sind fast der einzige Unterschied. Was in dieser Fassung funktioniert hat war, dass sich das ganze in Betrieb nehmen ließ, den richtigen Class-A-Stufen-Ruhestrom aufwies und im Leerlauf völlig korrekt verstärkt hat. Was aber unter Last sofort auffiel: völlig unterschiedliches Verhalten für die korrekt verlaufende positive und die viel zu flache und verzerrte negative Flanke. Wenn man nun auch noch entweder richtig Gas gegeben hat und die Endstufe übersteuert, oder die Frequenz bei Vollpegel-Sinus auf mehr als 5 kHz erhöht hat oder beides (mit steileren Signalen wie Rechteck noch kritischer...), dann starben mit einem leisen "Plick" die beiden Leistungs-Darlingtons. Mehr als dass der Dumper einfach ungünstig gesteuert wurde, ließ sich Zerstörungs-frei nicht heraus finden. Da der größte mess- und sichtbare Anteil des Problems aus der unterschiedlichen Ansteuerung der Halbwellen zu kommen schien, ergab sich folgende Überlegung:
Offenbar war ein Ruhestrom von 44mA wie bei der Original-Auslegung nicht ausreichend, um den Darlington-bestückten Dumper schnell genug in Bewegung zu setzen, wenn seine Unterstützung gefordert wurde. Der Unterschied der Halbwellen besteht im Original und bei Snook darin, dass sich bei dem asymmetrischen Aufbau der A-Verstärker in positiver Richtig auf beliebig hohe Ströme aufsteuern lässt, in negativer Richtung aber der Maximalstrom durch die Auslegung der Stromquelle bestimmt wird, eben die althergebrachten 44mA Class-A-Durchschnitts-Ruhestrom. Um hier in beide Richtungen den gewählten Darlington-Dumper auch komplementär ansteuern zu können, wäre ein spiegelbildlicher Aufbau also wesentlich besser geeignet, womit sich sofort das Problem ergibt, wie man dann denn den (durchschnittlichen) Ruhestrom festlegt, der im Original wie auch bei Snook durch den konstanten Quellstrom völlig stabil bleibt. Wenn der Durchschnitt nämlich nicht mehr gleichzeitig das negative Maximum ist, muss etwas aktives her, das sich zuverlässig selbst regelt. 

Das erste Layout auf Snook-Basis

Was gar nicht gut funktioniert hat, war bei diesem Layout auch die Deckung zwischen Kühlwinkel-Bohrungen und Platine, die absolut einseitige Bestückung auf der Rückseite des Kühlwinkels hatte ich auch nicht berücksichtigt, so dass für die Montage nach ein paar Einsätzen der Feile auch noch isolierende Abstandhalter nötig waren. Und der größte Fehler waren die gespiegelten Leitungs-Transistoren-Layout-Symbole, das musste ich über Kreuz um-basteln, das verwendete Bibliotheks-Element war völlig ungeeignet, genau wie das für die Spule (viel zu kleine Bohrung). Zusammen mit der fehlenden Masse-Leiterbahn in Eingangs-Nähe also alles noch nicht wirklich gut.

"Next Generation" - erster Anlauf

Der folgende Plan erwies sich erst mal als teilweise prinzipiell falsch. Nicht dass beim Einschalten des ersten bestückten Musters irgendeine Katastrophe geschehen wäre, keine Ampere-Wölkchen, Sicherungen o.k., Offset nahe der Grenze meiner Mess-Möglichkeiten, im Leerlauf auch eine Art Verstärkung.

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Das zweite Layout: die erste vollständig symmetrische Quad 405

Aber dabei ein viel zu hoher Verzerrungsgrad und keinerlei Belastbarkeit, der Dumper hat absolut nicht mit gemacht. Der Denkfehler lag in der direkten Verbindung des Class-A-Darlingtons mit der Last-Stromquelle des Endstufen-Eingangs-Transistors. Die erste Umbau-Maßnahme war also ein weiterer Transistor um eine unabhängige "ring-of-two"-Stromquelle zu erhalten. Mit der entsprechenden Änderung ging die Leerlauf-Verstärkung massiv in die Höhe und der Dumper nahm die Arbeit auf. Eine resultierende Notwendigkeit war auch eine andere Arbeitspunkt-Regelung, siehe letzte Schaltplan-Variante. Wäre zu schön gewesen, wenn sich damit perfekte Funktion eingestellt hätte. Jetzt war alles symmetrisch, oh Wunder, aber eine Sache sah unter Last auf Anhieb gefährlich aus: nach jeder minimalen Übersteuerung war die Flanke eingedrückt, ein Zeichen für einen "Speicher-Effekt". Da gab es in dem Augenblick, in dem oberhalb der Clipping-Grenze die Gegenkopplung derart heftig versuchte, den Kurven-Verlauf zu korrigieren, dass alles aus dem Tritt kam.
Erste Überlegung: der Kollektorstrom des Eingangs-Transistors wird im Quad-Original durch einen 3,3kOhm-Widerstand so begrenzt, dass eine Überlastung dieser und der nächsten Stufe in diesem Zweig unmöglich ist. Der Bypass-Kondensator dieses Widerstands sorgt dafür, dass dennoch keine Abbremsung bzw. unzulässige Phasendrehung eintritt. Snook hat den gestrichen und damit sowohl den Eingangstransistor, als auch den Class-A-Verstärker gefährdet. Also kam dieses RC-Glied wieder hinein. Das war immerhin eine teilweise Verbesserung. Der andere Punkt war, dass wie oben erwähnt, bereits das ursprüngliche Konzept im Grunde beliebig hohe Ströme an Ausgang und Dumper liefern kann, im Original nur auf der positiven Halbwelle, in meiner Variante beidseitig. Damit konnten in der Zwischenfassung beide Class-A-Endtransistoren bis in die Sättigung getrieben werden. Also habe ich mit je einem weiteren Transistor einen Maximalstrom festgelegt. Nun lag für beide Halbwellen der Durchschnitts-Strom bei den ursprünglichen 44mA, der Maximalstrom beim Doppelten. Jede Hälfte konnte nun genauso weit auf- wie ab-gesteuert werden. Verblieb noch ein wenig Verzerrung im Übernahme-Bereich, offenbar durch immer noch nicht perfekte Ansteuerung der Dumper. Bei den verwendeten Typen MJ11015/MJ11016 hatte ich von Vornherein Probleme, mit meinem Transistor-Prüfer den Verstärkungsgrad zu ermitteln. Angezeigt wurde hier auf meinem HFE-Messgerät nur 50, vermutlich wegen zu geringer Mess-Spannung. Eine Messung mit höherer Spannung ergab dann tatsächlich mehr als 20.000, doch logischer Weise erst bei ca. 1,2V Basis-Emitter-Spannung.

Die Basis-Vorwiderstände der Dumper hat Snook mit 47 Ohm für die noch wenig erprobten Typen vermutlich eher intuitiv gewählt und auch nicht besonders gut den richtigen Wert getroffen. Meine erste Vermutung war, das sei zu hochohmig, denn es gab ja eine zu langsame Reaktion. Also habe ich die Dumper-Basen nur über Drosseln angeschlossen. Einen Satz defekte Endtransistoren später war mir klar, dass hier offenbar eher eine Übersteuerung mit Speicher-Effekt und Gegenkopplungs-Reaktion vorlag. Nächster Versuch: 1 kOhm, keine defekten Dumper mehr, kaum noch Linearitätsfehler. Mit einem Kondensator parallel zum Basis-Vorwiderstand war auch das vorbei.

Nun konnte man die Endstufe auch bei 20 kHz Vollpegel mit 8 Ohm belasten, ohne dass sich im Oszillogramm sichtbare Unterschiede zum Leerlauf ergaben. Der Pegelunterschied mit und ohne Last war extrem gering, der sich daraus errechnende Dämpfungsfaktor lag bei satten 175.

Drittes Layout - alle Änderungen integriert

Den resultierenden Schaltplan sieht man hier:

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Vorerst letztes Layout, alles sehr direkt und Strom-stark ausgelegt

Eine Vereinfachung ist der Anschluss der Bias-Regelung an die Referenzspannung der Stromquelle im Kollektor-Kreis der Eingangsstufe. Aus Platzgründen wurden viele kaum belastete Komponenten der Erweiterung auf die Rückseite verschoben und in SMD bestückt.

Etliche wenig belasteten Hilfs-Transistoren und Widerstände befinden sich miniaturisiert auf der Rückseite

Die Positionen der Leistungs-Transistoren stimmen exakt, für die schräg liegenden TO3-Transistoren hatte ich bereits für die zweite Fassung einseitige, genau vermessene neue Bibliotheks-Elemente angelegt, die Spule hat jetzt noch eine größere Bohrung für ihren 1,3mm-Draht erhalten. Die Stütz-Elkos der Endstufe stehen für den linken Kanal jetzt genau in die Lücke der Netzteil-Lade-Elkos. Die Sicherungen sind in allen meinen Board-Varianten rechts und links angeordnet. Die Anschuss-Punkte wiederum sind alle noch in der originalen Position.

Monoblock-Betrieb

Für den Parallel-Betrieb zweier Module gemäß der Quad-Monoblock-Anleitung habe ich einen Trimmer vorgesehen, der pro Gehäuse natürlich nur einmal bestückt wird und dem exakten Abgleich der Verstärkung dient. Zur Nutzung als Monoblock ist auch an jedem Lautsprecher-Ausgang ein Abzweig über einen 5W 0,22 Ohm-Drahtwiderstand an einen zusätzlichen Stecker vorgesehen. Theoretisch könnte man zwei exakt auf gleichen Pegel eingestellte Module am Eingang und an diesem Ausgang zum Monoblock zusammen schalten, der dann ca. 200W an 4 Ohm leistet.

Man sieht den 0,22 Ohm Ausgangs-Widerstand hinter den Steckern, den isolierten Sicherungshalter und wie die Stütz-Elkos zwischen die Lade-Elkos passen.

Allerdings sollte man dann auch ein paar Punkte "synchronisieren", insbesondere die Stützelkos im Eingang und die Ruhestrom-Regelung könnten bei ungleichen Zeitkonstanten beim Ein- und Ausschalten zu Differenzen führen und damit zu gewaltigen Querströmen. Mangels Strombegrenzung macht das möglicherweise auch mal den Dumpern den Garaus. Also diese Variante ist noch nicht erprobt und erfordert vermutlich mindestens noch die Verbindung der rechten und linken Operationsverstärker-Versorgung, doch habe ich da auch bereits eine bessere Monoblock-Lösung vorgesehen:

Den Dumpern habe ich nämlich an den Emittern Leiterbahn-Unterbrechungen in Form großer SMD-Pads verpasst, die Netzteil-Masse und der Dumper-Ausgang haben extra Löt-Anschlüsse auf dem Board erhalten und zwei Bohrungen im Board sind für die Durchleitung von Verbindungs-Litzen da, damit man ein reines Zusatz-Dumper-Board statt des zweiten Kanals bestücken kann. Auch zwei SMD-Pads zum Anschluss der entfernten Dumper-Basen ist vorhanden, wie die lokalen Basis-Anschlüsse über je 1 kOhm parallel 10nF angeschlossen. Mit 0,1 Ohm an jedem Dumper-Emitter kann man dann einen einzelnen Kanal mit vier 30A-Darlingtons an beiden Kühlwinkeln versehen, im Gegensatz zur originalen Quad-Monoblock-Lösung ist der Dämpfungsfaktor wie in der Stereo-Version bis zu 175-fach mit Hilfe des Reihen-Widerstands frei wählbar. Eine gefährliche Differenz zwischen verschiedenen Board-Ausgängen gibt es Prinzip-bedingt nicht. Die Leistung liegt wieder bei ca. 200W@4Ohm.
...halt alles was der Trafo so her gibt - sozusagen...

Ausblick: Nächste Board-Version

...da gibt es nur noch Kleinigkeiten anzupassen. Gerne würde ich die Stütz-Elkos noch so platzieren, dass man mit einem langen Kreuzschlitz-Schraubendreher die Module daran vorbei wieder bequem durch die hinteren Löcher verschrauben kann, doch das ist genauso zweitrangig, wie die etwas schönere Platzierung des einen Widerstands neben dem IC-Sockel und der beiden Fußpunkt-Kondensatoren der OP-Stufe. Am wichtigsten ist noch die Verschiebung der Leiterbahn von der Sicherung zum Entstör-Kondensator, weg vom Alu-Winkel, denn hier ist der Abstand zu gering geraten, ich verwende momentan über den Lötstopp-Lack hinaus noch eine zusätzliche Isolierung an der Oberseite. Mit diesen drei oder vier mehr kosmetischen Wünschen ist dann ein dauerhaft brauchbares Stadium erreicht, nur neue Erkenntnisse würden dann eventuell das Fass wieder aufmachen.

Eine weitere Verbesserung kündigt sich eventuell beim Gleichrichter an. Von einem befreundeten Kunden, der selber auf akademischem Niveau forscht und schraubt, kam der Tipp hier mal gematchte, schnelle Schottky-Typen im TO220-Gehäuse einzusetzen. Das Original ist ja mit einem Winkel am Kühlkörper montiert, da ließe sich ein Ersatz herstellen. Zusätzlich könnte eine geschickte Unterdrückung von hier entstehenden oder eindringenden Hoch- und Höchst-Frequenz-Störungen unter Umständen klanglich noch einiges verbessern. Wenn entsprechende Versuche nachvollziehbare Verbesserungen bringen, werde ich berichten.

Monoblock Erfahrung

natürlich war ich neugierig, ob sich meine neuen Boards im Mono-Modus wie geplant verhalten würden. Drei gebrauchte und ungeprüfte 405er hatte ich noch im Regal, und so entschlossen wir uns, daraus zwei Mono- und eine Stereo-Endstufe daraus zu machen. Hier ist meine Mono-Geschichte.

zwei meiner gebrauchten 405er wurden zu Monoblöcken

Nachdem sie auf die Art "eine Steuerung - zwei Dumper" aufgebaut sein sollten, waren zwei voll bestückte Endstufen-Boards ohne Trimmer zum exakten Pegelabgleich nötig - den Großteil an Zeit und Mühe kostete immer noch die Bestückung von über 100 Komponenten pro Board. An Stelle des kompletten Endstufen-Moduls des zweiten Kanals wird hier nun der zweite Kühlwinkel nur gebraucht um die Stromstärke zu erhöhen und dabei die Wärmeentwicklung besser zu verteilen. Die Dumper sind ja dafür da, den kraftvollen, aber langsamen Teil der Arbeit des Verstärkers zu tun, daher sollte es keine Geschwindigkeits-Probleme machen, den zweiten Dumper ein wenig entfernt vom ersten zu montieren. Bisher habe ich noch kein extra Stummel-Board gemacht, das bei Serienproduktion sicherlich sinnvoll wäre, doch wir hatten noch übrig gebliebene Platinen der zweiten Version, die diesen Zweck perfekt erfüllten. Die Frage war: mit oder ohne Stütz-Kondensatoren - da deren Leistungs-Masse-Stern zum Gehäuse führt, wo auch der negative Lautsprecher-Anschluss sich mit dem Masse-Stern des Netzteils trifft, haben wir sie bestückt.

ein Board der zweiten Version als zusätzlicher Dumper

Das Steuerbord wurde montiert wie immer, erhielt aber zusätzliche 0,1Ohm- Widerstände an jedem Emitter-Anschluss um den Dumper-Strom auf die beiden Paare gleichmäßig zu verteilen. Die Verbindung wurde zwischen Trafo und Front unten verlegt. Natürlich bekamen beide Blocks neue BHC Lade-Kondensatoren, ungefähr gleich groß wie die ausgebauten ITTs, aber mit doppelter Kapazität. Die DIN-Buchse wurde entfernt und eine Cinchbuchse im selben Loch auf ein Stück einer ein übrig gebliebenen Platine zweiter Version montiert, natürlich isoliert.

Die Steuer-Platine sieht fast genau aus wie in der Stereoversion, abgesehen von ein paar zusätzlichen Kabeln und Bauteilen

Die ersten Probeläufe wurden ohne Last durchgeführt, kein Problem. Doch nach Anschluss eines 8-Ohm-Widerstands gab es auf der Stelle ein enttäuschendes Verhalten:
Eine Art Brummen schien die die Wiedergabe zu stören, ohne das es offensichtliche Erklärung gab. Sobald man den zweiten Dumper durch Trennen seiner Basis-Anschlüsse entfernte, schien alles wieder gut. Eine geschirmte Verbindung der Basen konnte das Phänomen nicht beseitigen, auch eine Entfernung der Buffer-Kondensatoren auf dem Dumper-Board brachte keine Verbesserung. Ein längerer Belastungstest zeigte, dass ich der zusätzliche Dumper deutlich mehr erwärmte als der auf dem Steuer-Board.

Dann erinnerte ich mich an Snooks VHF-Problem und studierte ein wenig die originalen Quad Dumper-Schaltungen. Da gab es einen umfangreichen Einsatz von Induktivitäten im Dumper-Zweig, offenbar um lokale Strom-Schwankungen abzubremsen. Daher ersetzte ich die alle induktionsarmen MPC-Widerstände, die ich bis dahin als Emitter-Widerstände benutzt hatte, durch Draht-gewickelte Typen, denen ich zusätzlich an jedem Ende eine Ferrit-Perle verpasste. Die abgeschirmten Basis-Drähte kamen wieder raus, die Stütz-Kondensatoren wieder rein.

Das Problem war weg. Und nicht nur das, die Blöcke verhielten sich perfekt, am Oszilloskop ebenso wie an Lautsprechern.
Ganz offensichtlich bestand die Störung in einer internen Schwingung der Dumper-Stufe, die am Ausgang nur hässliche Demodulations-Produkte zeigte und die Chips der Leistungstransistoren aufheizte.

Dieses hervorragende Verhalten bringt mich sofort auf die Idee, die Dumper der Stereo-Version auf ähnliche Weise zu verändern, offensichtlich schlummert da einiges Potential im Ausputzen des Strompfads, mit diesem absolut minimalen Trick begannen die Monos richtig zu "atmen" - möglicher Weise wird zwar die Stereo-Version nicht dieselbe schiere Kraft und Kontrolle bekommen, aber dennoch eine Menge davon profitieren.
Ausprobieren - der nächste Schritt auch für meine Stereo-Version stand bevor...

oben: Dumper Board mit HF-gedämpften Emitterwiderständen
unten: das Treiber-Board bekommt die gleichen Änderungen

Lautsprecher-Anschluss

Es gab vier Löcher für die Lautsprecher-Buchsen, wir haben alle vier mit 4mm-Buchsen genutzt. Doch an Stelle einer einfachen BiWiring-Parallelschaltung haben wir einen sehr interessanten Trick eingebaut:

Ein Buchsenpaar ist direkt angeschlossen am Netzteilmasse-Stern und dem Verstärker-Ausgang, die zweite rote Buchse führt zum 0,22-Ohm-Entkoppel-Ausgangs-Widerstand auf dem Leistungs-Modul, die zweite schwarze Buchse ist mit der ersten über einen 0,1Ohm-Widerstand verbunden, beide Widerstände sind Draht-gewickelte 5W-Typen.

Das ermöglicht zwischen 4 verschiedenen Dämpfungsfaktoren zu wählen, je nachdem, wie man das Lautsprecherkabel ansteckt,
beide rechts/ beide links/links nach rechts/rechts nach links.

die Lautsprecherbuchsen können mit vier verschiedene Dämpfungsfaktoren genutzt werden

Die Verstärker im Ergebnis

Die ersten Hörtests mit diesen Mono-Blocks, so hässlich ihre gebrauchten Gehäuse aussehen mögen, war überzeugend, auf Britische Art tiefstapelnd, sauber und schnell, aber auch mit einem Nachdruck, den ich nicht erwartet hatte. Andererseits präsentierten Sie eine Bühne von solcher Tiefe, wie ich es von der Stereo-Version nicht gewohnt war.

Monoblock Überblick innen

Ein interessantes Detail meiner Mono-Variante ist übrigens auch, dass es ja nur einen Class-A-Verstärker gibt und daher im Leerlauf der Verstärker nur auf der Seite des steuernden Moduls warm wird. Die einseitigen 4,5W Ruheleistung kann man nach einer Weile über der Betriebs-LED fühlen. Bei Belastung wird jede zusätzliche Abwärme natürlich gleichmäßig auf beide Seiten verteilt. 

hier spielen sie mit einem Dämpfungsfaktor von etwa 65 an 8-Ohm-Lautsprechern

Update 2019

Mittlerweile lassen wir Boards extern fertigen, die im Verhalten noch ein paar kleine "addons" haben.
So habe ich ein "soft clipping" hinzu gefügt, das die Welle knapp unterhalb der Aussteuerungs-Grenze schon in der Ansteuerung weich abschneidet und damit sämtliche sonst entstehenden Hochton-Sauereien vermeidet. Diese Ergänzung kann zusätzlich zu "knapp unter Voll" mit Hilfe einer Überlötbrücke auch auf exakt den maximalen Spannungspegel begrenzt werden, den die originalen Module für den Betrieb mit Haus-eigenen Elektrostaten vorsehen. Das "robuste Begrenzen" der Spannung hierbei ist für eine Lautsprecher-Folie überhaupt kein Problem und verhindert wirkungsvoll ein Anschlagen an die Stator-Gitter. Damit hätte unsere Weiterentwicklung endlich komplett auch alle etwas seltener genutzten Eigenschaften ihres Ahnen eingebaut.  

inzwischen SMD-IC-Bestückung rückseitig, Begrenzungs-Schaltung im Bereich direkt darunter.
Die Überlöt-Brücke "SJ1" (Beschriftung hier kopfüber) ist für den Betrieb an ESL-Elektrostaten

Einbau links in MK2-Gehäuse

Oberseite

Und auch das Dumper-Board der Mono-Version gibt es inzwischen als speziell gefertigte Stummel-Variante, Bild folgt ;-)