QUAD 303 Restauration und Upgrade

Vor ein paar Tagen habe ich 2 QUAD 303 Wracks erworben.

Zustand

Der Zustand ist sowohl optisch als auch technisch niederschmetternd. Aber Herausforderungen sind dazu da, angenommen zu werden.

Frontplatten

Die Faceplates zum Zeitpunkt des Erwerbs aus einem Nachlaß.
Die Faceplates zum Zeitpunkt des Erwerbs aus einem Nachlaß.

Sowohl optisch als auch funktional sind diese Frontplatten nicht mehr zu gebrauchen. Nach diversen Telefonaten (u.a. mit dem sehr freundlichen Herrn Stein von Quad Musikwiedergabe ) hat sich Armand van Ommeren von Quad Revisie in Holland bereit erklärt, mir zwei gebrauchte Faceplates zur Verfügung zu stellen.

Gehäuse

Übersät mit Aufklebern, Kratzern, einigen Roststellen….. benötigen diese sicherlich einen neuen Anstrich. Wie ich den realisieren werde, schiebe ich auf den Zeitpunkt nach der Wiederherstellung der Elektronik auf.

Elektronik

Die Primärsicherung war verbrannt, die Elkos ausgelaufen, das Innenleben der Verstärker stark verschmutzt und zum Teil durch Überhitzung in Mitleidenschaft gezogen. Einfach Einzuschalten habe ich da erst gar nicht probiert.  Allerdings besteht Hoffnung, dass die Leistungstransistoren auf dem rückwärtigen Kühlkörper noch in Ordnung sein könnten.

Ausgelaufene Kondensatoren
Ausgelaufene Netzteilkondensatoren
Angekohlte Netzteilplatine
Angekohlte Netzteilplatine
Verschmutzte und teils korodierte Verstärkerplatinen
Verschmutzte und teils korodierte Verstärkerplatinen
Leistungstransistoren
Leistungstransistoren OK ?

Verbaut sind für das Netzteil ein NEC 2SD555 und vier RCA 38494 für die Endstufen. Anscheinend hat da schon mal jemand repariert. Leider ist der NEC 2SD555 nicht ausreichend dimensioniert . Gegenüber dem Original  RCA 40411 fehlt es deutlich am Kollektorstrom.

Type RCA 40411 NEC 2SD555 MJ802
Uce 90V 250V 100V
Ic 30A 10A 30A
ft 0,8Mhz 15Mhz >2Mhz
Ptot 150W 200W 200W

Die zweite Endstufe nutzt noch die komplett originalen Powertransistoren:
1 * 40411 für das Netzeil und 4 * RCA 38494 für die Endstufen. Glücklicherweise sind diese Transistoren laut meinem Transistortester alle in Ordnung, weswegen ich diese Endstufe zuerst bearbeite.

Der 2SD555 wird von mir gegen MJ802 ausgetauscht. Diese Empfehlung für Transistor Ersatztypen stammt aus dem Blog der Firma Dada-Electronics:

Die von mir genutzten Typen sind in grün hervorgehoben:

  • TR1: 38494 – 2N3055 MJ15003
  • TR2: 38494 – 2N3055 MJ15003
  • TR3: 40411MJ802
  • TR100: BC154BC560 BC214C
  • TR101/TR107: BC109BC109 BC237C BC184K
  • TR102/TR103: U17219BC546B ZTX304
  • TR104: U17229BC556B ZTX504
  • TR105: 38496BC461 2N5322
  • TR106: 38495BC441 2N5320
  • TR200: U17229 – BC556
  • TR210: 38495BC441
  • MR 100/101/105/106 can be replaced by 1N4148

Da ich die Elektronik komplett neu aufbauen werde, muß ich auch die  Transistoren TR100 bis TR210 neu beschaffen.  Tr105, Tr106 und Tr210 (BC461, BC441) sind zum Teil nur sehr teuer zu bekommen. Daher habe ich nach Alternativen gesucht und auch gefunden:

Position Type Pol. Alternative Uce
Tr105 38496 PNP 2N4033 80V
Tr106 38495 NPN 2N3019 80/140V
Tr210 38495 NPN 2N3020/2N3019 80/140V

2N4033 und 2N3019 sind Komplementärpärchen.  Ich habe die Transistoren zusammengesucht, die ein gleiches Uf aufweisen.

Ausmessen der Transistoren
Ausmessen der Transistoren

Neue PCBs ?

Für den Neuaufbau benötige ich neue PCBs. Des öfteren habe ich mit dem Designtool „Eagle“ Schaltungen selbst entwickelt oder existierende Schaltungen von Hand in Eagle nachgezeichnet und ein eigenes PCB Layout erstellt. Dieser Aufwand scheint mir hier jetzt doch zu hoch. Die Suche nach fertigen einzelnen (leeren) PCBs für den Quad 303 in Deutschland/Europa war leider nicht erfolgreich, so daß ich dann doch ein Angebot aus Hongkong für relativ wenige Euros genutzt habe. Die Post war innerhalb von 12 Tagen bei mir.

Neuaufbau

Da es durch den sehr kunstvollen Kabelbaum im Quad 303 zu einer schlechten Kanaltrennung und teils schwer zu handhabenden Einstreuungen kommen kann, habe ich mich entschieden, einem Konzept nach Ideen von Dada Electronics zu folgen, und die neu bestückten Platinen quasi frei fliegend zu verdrahten.

Eine Überarbeitung des Quad 303 Schaltplans dazu findet sich hier

Original Quad 303 PCBs mit Kabelbaum
Original Quad 303 PCBs mit Kabelbaum

Die Idee basiert darauf, die Verbindungen zu den Spannungspunkten 67V, 0V und dem Minuspol der gleichgerichteten Spannung einzeln auszuführen und den Kabelbaum aufzulösen. Das sieht dann im Ergebnis nicht mehr so „schön“ aus, kommt aber den erwünschten audiotechnsichen Verbesserungen zu gute.

Um die drei oben genannten Potentialpunkte gut zugreifen zu können, habe ich eine Art Sammelschiene gebaut, auf der sich drei Sternpunkte mit jeweils 6 Kontakten befinden.

Sammelschiene mit 3 * 6 Kontakten
Sammelschiene mit 3 * 6 Kontakten
Sammelschiene montiert über dem Gleichrichter
Sammelschiene montiert über dem Gleichrichter
Sammelschiene eingebaut
Sammelschiene eingebaut
Neuverdrahtungs-Schema
Neuverdrahtungs-Schema
Netzteil Platine neu bestückt
Netzteil Platine neu bestückt
Verstärker Platine unbestückt
Verstärker Platine unbestückt

Achtung: Nichts ist Perfekt. Der Bestückungsaufdruck der Transistorsymbole hat die Emitternase durchgehend auf der falschen Seite. Die Positionen der Transistoranschlüsse sind aber korrekt.

Verstärkerplatine fertig bestückt
Verstärkerplatine fertig bestückt

Alle Widerstände sind Metallfilm 1% oder 2%, die dicken 0,33 Ohm sind 3W Mox Widerstände. Die Induktivität L100 ist ein Originalteil von Quad aus einem Quad 405 M1 Modul. Es handelt sich um das Quad Teil L12406A (6,8uH), dass ich durch Umbau der 405er M1 Module zu M2 Modulen gewonnen habe. Die Elkos sind Panasonic FC, alle übrigen kleineren Kondensatoren entweder Styroflex, Mika, MKT, MKP oder MKS Typen. Die Dioden sind originale IS920, ebenfalls aus den 405er Umbaumaßnahmen gewonnen.

Montage und in Betriebnahme

Zunächst wird die Stromversorgung aufgebaut. Dazu wird der Gleichrichter installiert und mit dem Trafo verbunden. Der Trafo liefert ca 60-61 Volt Wechselspannung. Nach der Gleichrichtung sollen 83 Volt zur Verfügung stehen.

Verdrahtung Gleichrichter und Trafo
Verdrahtung Gleichrichter und Trafo
Verdrahtung Gleichrichter und Glättungskondensator
Verdrahtung auf der Sammelschiene

Für die Verdrahtung werden 6,3mm und 4,8mm Steckverbinder verwendet.

Gleichrichtung stimmt soweit
Gleichrichtung stimmt soweit
Der Glättungskondensator 4700uf/100V
Der Glättungskondensator 4700uf/100V

 

Alle Module verdrahtet
Alle Module verdrahtet
 
Wilder Drahtverhau
Wilder Drahtverhau
 
 
Die Ausgangselkos: Kemet 10.00uf/63V mit 3,3uf WIMA parallel
Die Ausgangselkos: Kemet 10.000uf/63V mit 3,3uf WIMA parallel
Das neue Frontpanel
Das neue Frontpanel

Die neue Front ist jetzt optisch und funktional wieder ok. Durch Einsatz eines 230V IEC Sockels mit integriertem Schalter und Sicherung kann das freigewordene Loch der Primärsicherung für eine Monacor RCA/Cinchbuchse verwendet werden. Ich verzichte auf die 4 polige DIN Buchse und setze dort die zweite Cinchbuchse ein.

Abgleich

Die Justage der Spannungen und des Ruhestroms erfolgt Dank der 20 Gang Potis sehr schnell und genau.

    1. Einstellung von 67 Volt auf den Verstärkermodulen an den Punkten 1/2 und 8/9 mit dem Poti RV200 auf der Netzteilplatine
    2. Einstellen von 33,5 Volt auf den Verstärkermodulen zwischen dem Punkt 5 und 1/2 oder 8/9 mit den Potis RV100 (jeweils Kanal Links und Rechts)
    3. Einstellen von 7,5 mV auf den Verstärkermodulen zwischen den Punkten 4 und 6 mit dem Poti RV101.  Der Ruhestrom beträgt über den beiden 0,33 Ohm Widerständen dann rund 11,4 mA.

Und was hat es gebracht ?

Zusammenfassung der Meßwerte
Zusammenfassung der Meßwerte

Die Verstärkermodule spielen auf Anhieb. Die Messwerte für Frequenzgang, Rauschen, Distortion und Intermodulation liegen im Bereich kleiner als 0,03%. Erstaunlich ist in meinen Augen,  wie gering die Differenz der Werte zwischen beiden Kanälen ist.

 

Frequenzgang
Verzerrungen und Rauschabstand
THD
Intermodulationsverzerrungen
Intermodulationsverzerrungen

Update vom 26.06.2024 – Anpassung der Eingangsempfindlichkeit

Die originale QUAD 303 Schaltung hat eine Eingangsempfindlichkeit von 500 mV. Das machte einen direkten Hörvergleich zwischen dem 303 und meinen Quad 405 schwierig, da die 405 eine Eingangsempfindlichkeit von 1 V hat. Daher habe ich auch die Quad 303 auf 1V (eff.) umgestellt. Dazu empfiehlt Dada-Electronics folgende Maßnahme:

  1. Verringerung von R108 (22 KΩ) auf 11 KΩ
  2. Vergrößerung von C103 (100 pF) auf 200 pF

Dadurch verbessern sich die Meßwerte ebenfalls:

Verzerrungswerte bei 1V Eingangsempfindlichkeit

Eingesetztes Material / Bezugsquellen

Da die meisten Geräte die ich wieder aufarbeite  mehrere Jahrzehnte alt sind, ist es sehr wahrscheinlich, dass die Verschmutzung sehr hartnäckig ist. Meistens handelt es sich um einen schwer zu beseitigenden Nikotinbelag. Nikotin ist ein pflanzliches Alkaloid, das in natürlicher Form eine farblose bis bräunliche ölige Flüssigkeit ist. Trocknet Nikotin ein, bildet sich ein öliger, später fester bräunlicher Film.

Dieser Belag lässt sich sehr einfach mit einem Fettlöser wieder entfernen. Grillreiniger sind ähnlich effektiv. Ich verwende den Fettlöser der Fa. Becher (Idealo Link)

Die Transistoren 2N3019 und 2N4033 gibt es beim Elektronikversand Reichelt sehr günstig für weniger 1 € das Stück. Alle anderen Kleinsignaltransistoren  lassen sich ebenfalls bei Reichelt bekommen.

Der Brückengleichrichter ist ein B420C35A.

Die PCBs habe ich über eBay bei einem Händler in Hongkong geordert. (ebay Link)

Nachbau HEA Verstärker

Die Geschichte des Nachbaus startet ein paar Seiten weiter unten.

Reparaturobjekt : Ein HEA Wien Stereo Verstärker 1600, Baujahr 4. April 1968

Hier der Schaltplan aus dem Radiomuseum.

Schaltplan HEA1600
Schaltplan HEA1600

Das Gerät und damit die Bauteile sind inzwischen 54 Jahre alt. Wie im Schaltplan zu sehen ist, besteht die Halbleiterbestückung in der Vorstufe aus zwei Silizium Transistoren (BC109) und ansonsten in Germanium Transistoren.

Für eine sichere zukünftige Funktion müssen auf jeden Fall alle ELKO Kondensatoren ausgetauscht werden. Das Gerät zeigt nach dem Einschalten noch gute Funktionen. Allerdings ist ein starkes Rauschen zu vernehmen. Der linke Kanal streut darüber hinaus aperiodisches Prasseln ein. Die Widerstände sind allesamt Kohlepresswiderstände. Diese Art Widerstände neigt zum Altern und gerade bei Widerstandswerten im Kilo-Ohm Bereich zum Rauschen und ggf. Prasseln.

Metallfilmwiderstände haben dieses Verhalten nicht.

Frontansicht des Verstärkers
Die Knöpfe lassen sich nur mit Kraft nach vorne abziehen
Die Elkos sind am Ende ihrer Lebenszeit angekommen
Undichter Elko
Erneuerte Kondensatoren (NOS)

Test

Linker Kanal alter Tranistor ohne Load

Rechter Kanal neuer Transistor ohne Load

Frequency response (from 40 Hz to 15 kHz), dB:

+1.64, -1.42

+1.54, -1.52

Noise level, dB (A):

-61.2

-63.9

Dynamic range, dB (A):

61.5

64.5

THD, %:

0.043

0.468

IMD + Noise, %:

0.675

0.701

Stereo crosstalk, dB:

N/A

N/A

Ca. 60 db Rauschabstand ist deutlich zu schlecht. Auch sind die unterschiedlichen Verzerrungswerte außerhalb der Norm.
Der Tausch der insgesamt 38 Widerstände gestaltet sich recht aufwändig, da ich zur Ergebniskontrolle immer nur max. 3 Widerstände ausgetauscht habe und anschließend eine neue Messung durchführte, um zu sehen, ob die Maßnahmen zur Verbesserung der Werte beitragen.
Da ebenfalls ein leichtes Knistern/Krachen bei Betätigung der Regler zu vernehmen war, habe ich die Regler ausgelötet und im Ultraschallbad gereinigt. Nach Wieder-Einbau war das Knistern verschwunden.
In Summe wurden 38 Widerstände ausgetauscht, alle Elkos durch neue hochwertige Typen ersetzt und die ersten 3 Transistoren gegen modernere und rauschärmere Typen ersetzt.

  • Für T101/201 und T102/202 wurde je ein BC550C eingesetzt.
  • Für T103/203 wurde ein AC151 VII (rauscharm) eingesetzt.

Als Ergebnis reduziert sich das Rauschen um mehr als 15 dB !
Nach erfolgreicher Reparatur ging der HEA Verstärker zurück an seinen Besitzer.
Bei mir war aber jetzt die Neugier geweckt:  Wie gut könnte diese Schaltung mit aktuellen, hochwertigen Bauteilen aufgebaut werden, und was wäre an Verbesserungen zum alten Gerät zu erwarten ?

Aufbau mit neuen Bauteilen

Nach dem Erstkontakt zu einem Verstärker mit Germanium-Transistoren war ich wegen des besonderen Klangs nun doch neugierig geworden.
Wie würde sich die „alte“ Technologie mit modernen und hochwertigen Bauteilen machen ?
Dazu noch ein stärkeres und stabilisiertes Netzteil, um die doch etwas schmale Leistung zu steigern und ein vernünftiger Trafo.

Eine selbst entworfene doppelseitige Platine, hochwertige Panasonic Kondensatoren, Kiwami oder Dale Widerstände und ein gutes geregeltes Netzteil. Das neue Netzteil liefert ca. 33V stabilisiert. Lediglich bei den Germanium Transistoren muss ich auf alte Lagerware (New Old Stock – NOS) zurückgreifen. Verzerrungen  und Rauschen sinken deutlich.

Hier die Messungen des Nachbaus:

Verbesserte technische Daten durch Neuaufbau
Prototyp Aufbau
Lautstärkesteller mittels ALPS Poti
Talema Trafo 2 * 15V, 25 Watt
Netzteil mit 3 * 2200uF/63V Pufferkondensatoren
Verstärkermodul, Pufferung 2200uF/63V doppelseitige Platine
Rechter Kanal
Die grünen sind Kiwami Kohleschichtwiederstande 1%
Panasonic 105 Grad, LowESR Typen

 

Treibertransistoren AC128K/176K matched Pair
Leistungstransistoren unter der Bodenplatte
Ein und Ausgänge des Prototypen

Entwicklung eines eigenen Boards in EAGLE

Auf Basis der unten aufgeführten Schaltung habe ich mir doppelseitige PCBs in den Abmessungen 100 * 100 mm anfertigen lassen.

EAGLE Schaltung als Basis für das eigene Board

Da die Leistungstransistoren T105 und T107 zur Kühlung auf dem Gehäuseboden verschraubt werden, sind die Anschlüße dafür einzeln herausgeführt. (B, C, E – T105 bzw. T107). Auch der NTC ist über Schraubklemmen an der Unterseite des Boards verbunden und auf das Bodenblech geklebt.
Die Anschlüsse POT (IN, OUT, GND) und SIG (IN, VOUT, GND) sind über Schraubklemmen herausgeführt, so dass ein Poti für die Lautstärke oder auch ein Klangnetzwerk (siehe Originalschaltung oben)  über diese Anschlüsse angeschlossen werden kann. Auf das Klangnetzwerk habe ich hier im Sinne des unverfälschten Klanges verzichtet.

 
PCB – Bestückungsseite
PCB – Lötseite
Part Value Device Package
C1 1uf WIMA o.ä. Radial, 5 mm
C2 47uf/25V Elko Radial, 2,5 mm
C6 400p Styroflex Axial, 7,5 mm
C8 47uf/25V Elko Radial, 2,5 mm
C9 1000uf/50V Elko Radial 10 mm
C10 470u/25V Elko Radial 10 mm
C11 125u/25V Elko Radial, 2,5 mm
C12 1000uf/50V Elko Radial 10 mm
C13 1000u/50V Elko Radial 10 mm
C14 2200u/50V Elko Radial 10 mm
D1 BA314 Stabi Diode 0,6 – 0,7 V DO41-10
NTC 500  R NTC P642
R1 39K Widerstand Axial 0,25W 15mm
R2 4K7 Widerstand Axial 0,25W 15mm
R3 2700K Widerstand Axial 0,25W 12,5 mm
R4 48 R Widerstand Axial 0,25W 15mm
R5 500 R 20Gang Trimmer Trimmer
R7 1k5 Widerstand Axial 0,25W 15mm
R8 33k Widerstand Axial 0,25W 15mm
R9 10k Widerstand Axial 0,25W 15mm
R10 48 R Widerstand Axial 0,25W 15mm
R11 5k6 Widerstand Axial 0,25W 15mm
R12 330 R Widerstand Axial 0,25W 15mm
R13 560 R Widerstand Axial 0,25W 15mm
R14 1k Widerstand Axial 0,25W 15mm
R17 100 R Widerstand Axial 0,25W 15mm
R22 47 R Widerstand Axial 0,25W 15mm
R23 0,5 R Widerstandsdraht gewickelt 15mm
R26 15 R Widerstand Axial 0,25W 15mm
R27 47 R Widerstand Axial 0,25W 15mm
R30 0,5 R Widerstandsdraht gewickelt 15mm
T101 BC550C NPN , Si Kleinsignal TO18
T102 BC550C NPN , SI Kleinsignal TO18
T103 ACY12 PNP, GE , rauscharm TO18
T104 AC128K, matched Pair PNP, GE, Treiberstufe TO18
T106 AC176K, matched Pair NPN, GE, Treiberstufe TO18
T105 AUY20 III PNP, GE Leistungstransistor TO-3
T107 AUY20 III PNP, GE Leistungstransistor TO-3
       

 

Im Ergebnis steigt die Sinusleistung von 6 Watt an 5 Ω auf 10 W an 8 Ω bzw. 15 W an 4 Ω. Der Klang ist sehr ähnlich einem Röhrenverstärker – Klang-qualitativ kann dieses kleine Verstärkerchen prima mit meinen großen QUADs (303, 405 und 606) mithalten.