In diesem Beitrag will ich kurz einen praktischen Weg vorstellen, die Abstimmung von Plattenspieler, Tonabnehmersystem und Entzerrer-Vorverstärker mit ein wenig PC-Meßtechnik zu vereinfachen, bzw. den Erfolg der Abstimmungen zu überprüfen.

Was wird dazu benötigt:

Eine Meßschallplatte mit Aufnahme von Rosa Rauschen, ich verwende ein Produkt von RMS Audio – Klangerlebnis pur
Tonarmwaage, z.B. eine digitale Waage von Proster, PST052.
VTA und Azimuth Lehre (Gauge) – eine Plexiglas Lehre zur Ausrichtung des Tonarms horizontal und vertikal.
Eine gute Soundkarte mit RCA/Cinch Ein- und Ausgängen
Verschiedene PC-Programme zur Analyse von Audiosignalen:
1. Software Oszilloscope
2. Frequenzganganalyser. Ich nutze JustOct und JustDisp vom HiFi-Magazin, aber auch REW, Audacity oder ARTA sollten dafür funktionieren. ARTA wird zwar vom Entwickler nicht mehr gepflegt, ist dafür aber als Freeware im Internet verfügbar
3. Anpassbarer Phono-Vorverstärker für MC und MM Systeme. Für mich verfügbar sind folgende Geräte:
  1. 1. 1. Pro-Ject Phono Box S2
      2. NAD 1240, NAD 3020
      3. Elektor ‚The Preamp‘
      4. QUAD 66 (MC-Version)
      5. WIIM Ultra Vorverstärker
      6. Elektor SUPRA (noch in Entwicklung)

Die Plattenspieler und Tonabnehmersysteme

Mir stehen zwei Plattenspieler zur Verfügung:

WEGA 3432 – ein DUAL CS 601 im stabilen WEGA Gehäuse mit MM System
Pro-Ject RPM 5.1 mit Ortofon MC System

Ein WEGA 3432/DUAL CS 601 mit MM System Ortofon M20 E

Nach Erneuern des Riemens, des Steuer-Pimpels und Dämpfen des Tonarmliftes mit neuem Silikonöl funktioniert dieser 1975/1976 gebaute Plattenspieler DUAL CS 601 mechanisch wieder wie vorgesehen. Die Abstimmung des Tonabnehmers mit dem Vorverstärker erfolgt durch Einspielen des Ausgangssignals aus dem Vorverstärker in den PC über den Eingang meiner Soundkarte (eine ESI-Juli XT). Auf der Schallplatte gibt es ‚Test mit Rosa Rauschen‘ dessen Kurve mit JustOct aufgenommen wurde und mit JustDisp ausgewertet werden kann. Sehr schön ist die Funktion, mehrere nacheinander aufgenommene Kurven mit JustDisp gleichzeitig darzustellen und Vergleiche anzustellen.

Rosa Rauschen - Frequenzgang des DUAL M20 E Systems am Pro-Ject S2 — Rosa Rauschen – Frequenzgang des DUAL M20 E Systems am Pro-Ject S2

Für mich liefert der Abschluß des Vorverstärkers mit 220pF das beste Ergebnis. Neben dem Zusammenspiel von TA-System und Vorverstärker muss auch das TA-System und der Tonarm mechanisch justiert werden. Dazu wird sowohl die horizontale als auch vertikale Ausrichtung geprüft und ggf. justiert. Wichtig ist, dass die Abtastnadel vertikal exakt senkrecht in die Rille eintaucht.
Mit der VTA & Azimuth Gauge lassen sich beide Parameter messen.

TA-System Ausrichtung vertikal justieren

Das Datenblatt des Ortofon M20 E gibt eine Auflagekraft von 0,5p – 1,2p an. Die Nadel hat die Bezeichnung DN350, mit elliptischem Schliff. Für die höchste Pegelabtastung habe ich eine Auflagekraft von 1,38g eingestellt. Mit dieser höher als empfohlenen Auflagekraft werden auch 70μm bei Sinus 300 Hz noch ohne Verzerrungen sauber wiedergegeben, was sich mit dem Software Oszilloscope sehr schön überprüfen lässt.

Ein Pro-Ject RPM 5.1 mit Carbon Tonarm und Ortofon Salsa MC System

Die Daten des Ortofon Salsa MC zeigen, dass es sich um ein „Low Output“ Moving Coil System handelt. Die Ausgangsspannung liegt bei lediglich 0,38 mV, im Vergleich zum M20E mit ~ 4mV, also um den Faktor 10 geringer, was aber typisch ist für MC Systeme. Dafür ist der Innenwiderstand des MC Systems aber ebenfalls sehr gering, so dass die Kapazität der Anschlußleitung und die Eingangskapazität des Vorverstärkers keine Rolle spielt. Dagegen sollte der Eingang des Vorverstärkers mit ca. 100 Ω abgeschlossen werden.

Ortofon Salsa mit Rosa Rauschen an verschiedenen Abschlußwiderständen

Die Messreihe zum optimieren des Abschlußwiderstandes ist oben zu sehen. Am Preamp sind Widerstände von 20Ω, 50 Ω, 100 Ω und 1 kΩ über ein Mäuseklavier zuschaltbar. Ich habe mich für die Kombination aus 100 Ω und 1 kΩ entschieden, im Ergebnis also 90 Ω.
Darüber hinaus habe ich auch die verschiedenen verfügbaren Vorverstärker ausgemessen. Beeindruckend, wie konsistent die unterschiedlichen Geräte mit dem MC System sehr ähnliche Widergabekurven erzeugen.

Ortofon Salsa an verschiedenen Vorverstärkern

Lediglich der WIIM Ultra in der Einstellung MC Phono Eingang lässt die Höhen entgegen meiner Referenzkurve vom Elektor Preamp deutlich abfallen.
Aber das lässt sich durch die hervorragende Funktionalität des WIIM Ultra mit einigen wenigen Einstellungen in der zugehörigen App leicht anpassen.
Im WIIM Ultra lassen sich verschiedene Parametrische Equalizer (PEQ) Einstellungen erzeugen, abspeichern und den einzelnen Eingangsquellen zuordnen. Zur Anhebung der Höhen habe ich einen High Shelf (HS) ab 200 Hz mit +3.0 dB und einer Güte(Q) von 0.1 eingestellt. Dadurch ergibt sich aber eine Überhöhung bei 50 – 400 Hz, die ich durch eine negative Glockenkurve (PK) mit -2 dB bei 100 Hz und einer Güte (Q) von 0.1 eliminiert habe. Das Ergebnis ist unten in der grünen Kurve zu sehen.

Dieser Beitrag beschreibt die Restauration des QUAD 405 bzw. QUAD 405-2. Die Anregungen dazu gab es von P.J. Walker (Link) und Keith Snook (Link) sowie Bernd Ludwig (Link).

Folgende Modifikationen werden in diesem Beitrag beschrieben:

Umbau der Eingangsstufe
1.1 Operationverstärker: LM301(405), TL071(405-2) zu OPA604 bzw. OPA627
1.2 Eingangsstufe Verstärkungsfaktor
1.3 Entkopplungsmaßnahmen
Ausgangsstufe
2.1 Schaltungsanpassungen
Netzteil
3.1 Dual Mono Netzteil mit virtueller Erde (Dual Mono Supply with virtual Ground)
Einschaltverzögerung und Schutzschaltung mit MOSFET SSR

Umbau der Eingangsstufe

Der Umbau der Eingangsstufe bildet das Kernstück der Verbesserungen sowohl für den QUAD 405 mit dem LM301 Operationsverstärker als auch dem 405-2 mit dem TL071 OP.

Der Empfindlichkeit der modifizierten Eingangsstufe mit den unten angegebenen Werten liegt bei 1V und entspricht damit den heute gängigen Ausgangspegeln verfügbarer Vorverstärker und sonstiger Quellen.

Pos.	Wert	Mod. Wert	Layout M1	Layout M2
C1	680nf	680nf	unverändert	unverändert
R1	220k	220k	unverändert	unverändert
C2	100uf (Bipolar)	100uf polar	Elko +Pol auf GND oder 2 *Tantal 50uf, gegenpolig auf GND	Elko +Pol auf GND oder 2 *Tantal 50uf, gegenpolig auf GND
C2B	–	3,3uf	parallel zu C2	parallel zu C2
R3	22k	22k	Verbindung zu IC Pin 2 bei R3 auftrennen und von R3 Draht zum GND ziehen	Neues Loch in die GND Verbindung auf Höhe R3 bohren und dort R3 verlöten.
R4	22k	3k3	R4 entfernen und mit 3k3 ersetzen	R4 entfernen und mit 3k3 ersetzen
R5	4k7	4k7	unverändert	unverändert
C3	3p3	–	entfernen	NA
R6	330k	22k	R6 entfernen und mit 22k ersetzen	R6 entfernen und mit 22k ersetzen
C4	47nf	680nf	muss gleicher Wert wie C1 sein	muss gleicher Wert wie C1 sein
R10	1k8/560	NA	R10 entfernen, Drahtbrücke einsetzen	R10 entfernen, Drahtbrücke einsetzen
R12	3k3	2k7	R12 entfernen und 2k7 einsetzen	R12 entfernen und 2k7 einsetzen
C6	1000pf	1000pf	unverändert	unverändert
IC1	Pin3	Pin3	Bei Pin3 Leiterbahn auftrennen und mit Draht Verbindung zur Kreuzung C1/R3 herstellen	Bei Pin3 Leiterbahn auftrennen und mit Draht Verbindung zur Kreuzung C1/R3 herstellen

Eingangsstufe Modifikationen des 405 Boards (M1):

M1 Board modifizierte Eingangsstufe Bestückungsseite

Auf den M1 Boards existiert noch ein Designfehler. Das Zobel/Boucherot Glied am Ausgang (C12 und R39) ist mit dem GND Segment der Eingangsstufe verbunden. Normalerweise macht das keine Probleme, solange die Module im Gehäuse eingebaut und verdrahtet sind, da dann die beiden GND Segmente (beiden Seiten von R2) über die Verkabelung und Verbindung zum Gehäuse (Eingangsstufe und Verstärkermasse) miteinander verbunden sind. Allerdings macht das Probleme, sobald die Module ausgebaut werden und bspw. zu Messzwecken anders verdrahtet werden. Dann kann diese Konstellation zu Problemen führen, bspw. Verzerrungen und im schlimmsten Fall Rauchzeichen durch den Widerstand R2 (10 Ohm). Zur Abhilfe habe ich die GND Verbindung von R39 aufgetrennt und R39 über einen Draht zur Verstärkermasse (Power GND) verbunden.

Die fehlende Verbindung beider GND Segment macht sich ebenfalls bemerkbar, indem die Offset Gleichspannung am Lautsprecherausgang, die normalerweise kleiner 1 mV ist, auf ca. 5 mV bis 10 mV ansteigt. Daher ist bei Arbeiten an den Modulen R2 zu überbrücken, dann treten keine Probleme auf. Diese Brücke ist bei Einbau der Module im Gehäuse aber unbedingt wieder zu entfernen, um Brummschleifen zu vermeiden. Dies gilt für beide Modulversionen, M1 und M2.

M1 Board Eingangsstufe Modifikationen Lötseite

M1 Board Modifikationen Eingangsstufe Lötseite Pin3

Eingangsstufe Modifikationen des 405-2 Boards (M2):

M2 Board Modifikation Eingangsstufe Lötseite

M2 Board Modifikation Einggangsstufe Bestückungsseite

Weitere Modifikationen nach Keith Snook DCD Mod3

Folgende Themen werden noch ergänzt:

Beschreibung der DCD Mod3 Details

Umbau M1 Modul zu M2

Dual Mono Netzteil mit virtueller Erde
(Dual mono Supply with virtual Ground)

Keith Snook hat diese Modifikation des Originalnetzteiles des QUAD 405 excellent auf seiner Seite beschrieben. Siehe „ https://keith-snook.info/quad-405-2-dual-psu.html“

Ich werde hier einiges seiner Beschreibung übersetzen und wiederverwenden.

Ein aktiver Erdungskreis stellt sicher, dass die ± Versorgungsspannungen beim Laden und Entladen der Netzteilkondensatoren mitverfolgt werden, und verhindert so Schläge beim Ein- und Ausschalten.
Der Einbau separater „erdfreier“ Netzteile in jede Verstärkerhälfte ermöglicht die Verwendung eines aktiven Erdungskreises, wie er beim QUAD306 und QUAD606 vorhanden ist ~ Dieser Schaltkreis sorgt für eine aktive Korrektur der Spannung am „Mittelabgriff“ der Netzteilkondensatoren und stellt die Versorgung sicher. Spannungen werden beim Ein- und Ausschalten verfolgt, um Knack- und Schlaggeräusche zu vermeiden. Im Idealfall verhindert der virtual Ground auch jegliche Gleichspannung am Ausgang der Verstärkermodule.

Zum Aufbau der virtual Ground Schaltung habe ich ein PCB entwickelt, dass die gesamte neue Netzteilelektronik enthält. Um die Schaltung beim Einbau problemlos verdrahten zu können, wird die komplette Bestückung ‚ auf den Kopf ‚gestellt, d.h. die Platine ist oben, während die dicken Glättungskondensatoren mit 4 * 10000 uF nach unten zeigen. Die Komponenten für den virtual Ground sind oben auf der Platine angeordnet, ebenso alle Kabelverbindungen, was die Verdrahtung und Installation sehr vereinfacht.

Schaltung Dual Mono Supply mit virtueller Erde

PCB DMS Q405 PCB — PCB für das neue Netzteil

DMS_Q405 Bestückungsseite — Netzteile Platine Draufsicht

DMS_Q405_PCB_Bottom — Netzteilplatine Unterseite

Jeder Kanal erhält ein separates Netzteil mit einer einzelnen Sekundärwicklung des originalen QUAD Netztrafos. Die GND Verbindung zur Mittenabzweigung des Netztrafos wird nicht mehr genutzt. Die Sekundärwicklung wird über eine 4A/T Sicherung angeschlossen. Somit können die Sicherungen auf den Verstärkermodulen entfallen. Mit der Eingangssicherung können die oben gelb umrandeten Komponenten entfernt und die auf der Platine montierten Sicherungen umgangen werden. ~ Die ±-Stromanschlüsse können direkt an die mit roten und schwarzen Punkten markierten Punkte angeschlossen werden. ~ Die 100-nF-Kondensatoren C15 und C16 können im Stromkreis belassen werden oder durch größere Polycaps an gleicher Stelle ersetzt werden, in dem die Sicherungen angebracht waren.

Sicherungen auf den QUAD Modulen entfernen

Ebenso können die anderen gelb umrandeten Komponenten (DIAC, TRIAC und Widerstände der Crowbar Schutzschaltung des QUAD-M2 Moduls entfernt werden, da die Schutzfunktion durch das Netzteil selbst erbracht wird.

Einschaltverzögerung und Schutzschaltung mit MOSFET SSR

Jedes Quad 405 Modul erhält eine eigene Schutzschaltung. Diese Schaltung basiert auf einer Idee von Elliot Sound Products und ist mit dem speziellen Steuerbaustein SI 8752 realisiert, der sehr niederohmige Power-Mosfets ein und ausschaltet. Damit ist ein Solid State Relais (SSR) realisiert, welches sehr gut in der Audioelektronik eingesetzt werden kann, da die Isolation zwischen Steuer und Schalteinheit sehr hoch ist. Die verwendeten Power Mosfets haben im eingeschalteten Zustand einen Durchgangswiderstand von ca. 2,5 mΩ, was deutlich weniger ist, als bei einem vergoldeten Relaiskontakt.

Bei Anwendung des SI8752 ergibt sich folgende Grundschaltung:

Für die Nutzung als Einschaltverzögerung und DC Schutzschaltung habe ich die Grundschaltung um ein paar Bauteile erweitert und dafür ein eigens PCB entworfen, das sehr schmal ausgeführt ist, um es problemlos in dem Gehäuse des Quad 405 unterbringen zu können.

Die Anschlüße Vin1 und Vin2 gehen an die Sekundärwicklung des Netztrafos, der Punkt an R3 wird mit dem Ausgang des Verstärkers verbunden. Sobald die Netzspannung eingschaltet wird, lädt sich der Kondensator C2 über R4 auf, bis ein Niveau erreicht ist, dass den Transistor/Mosfet Q1 durchschaltet. damit wird auch der Ausgang des SI8752 freigeschaltet, so dass die Drain-Source Strecken der angeschlossenen Power MOSFETs durchgeschaltet werden, und damit wird der Verstärkerausgang an den Lautsprecherausgang geschaltet .

Sobald an R3 eine Gleichspannung größer als (+/-) 3V anliegt, wird Q4 gegen GND gezogen, und damit sperrt dann auch Q1, so dass der Verstärkerausgang vom Lautsprecherausgang getrennt wird, und die Gleichspannung den angeschlossenen Lautsprechern keinen Schaden zufügen kann.

Realisierung der Schutzschaltung mit eigenem PCB:

Schutzschaltung PCBs — Schutzschaltung Einbau im QUAD 405 Gehäuse

Als Power Mosfets setze ich von Toshiba die Silicon N-channel MOSFETs TK100E10N1 ein. Der DRAIN Anschluß des MOSFETs ist mit der Kühlfahne verbunden, so dass die Kühlfahnen durch Verschraubungen einen super Kontakt zu den Lautsprecherbuchsen herstellen, und auf der Gegenseite ein M4 Kabelschuh zur Verbindung zum Verstärkerausgang genutzt wird.

Zwei QUAD 405 im Urzustand von 1976

Gerade sind zwei QUAD 405 (erste Modelreihe) bei mir eingetroffen. Äußerlich und innerlich sehen beide Verstärker noch erstaunlich gut aus. Darüber hinaus spielen beide ohne erkennbare Beeinträchtigungen.

Alleine auf Grund der Messungen und erster Hörtests würde ich die Geräte so lassen, aber der Blick in das Innere zeigt doch einen erheblichen Handlungsbedarf. Einige Kondensatoren sind aufgebläht und zeigen Ausblühungen, teils sind die verzinnten Leiterbahnen korrodiert. Davon einige Bilder:

BDY74 als Endtransistoren, Ptot: 117W, ICmax:15A, Umax: 150V

Hergestellt in 1976, Teilweise sind Bauteile aus 1974 verbaut

Die Aufarbeitung beider Geräte werde ich hier nach Fortschritt weiter beschreiben.

Das bleibt von den Originalbauteilen übrig, wenn DCD-MOD3 umgesetzt wird.

Umbau zum Quad M2 Modul -> 15 Ohm || 22 uH bei R37

Nach Umbau beider Verstärker ergeben sich nach Einbau im Gehäuse die unten aufgeführten Meßwerte. Zum Vergleich für die Qualität der Messungen ist auch die Loopback Messung – also direkte Verbindung zwischen Ausgang und Eingang der Soundkarte – aufgeführt. Daraus ist zu erkennen, daß die Verstärker selbst weniger Störungen hinzufügen als die nackten Kurven vermuten lassen, denn die Störungen im Verbund des PCs mit Soundkarte und Verkabelung werden eben auch mit verstärkt.