QUAD 405 Restauration und Upgrade

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:

  1. Umbau der Eingangsstufe
    1.1 Operationverstärker: LM301(405), TL071(405-2) zu OPA604 bzw. OPA627
    1.2 Eingangsstufe Verstärkungsfaktor
    1.3 Entkopplungsmaßnahmen
  2. Ausgangsstufe
    2.1 Schaltungsanpassungen
  3. Netzteil
    3.1 Dual Mono Netzteil mit virtueller Erde (Dual Mono Supply with virtual Ground)
  4. 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.

QUAD 405 Eingangsstufe (M1)
QUAD 405 Eingangsstufe (M1)

 

QUAD 405-2 Eingangsstufe (M2)
QUAD 405-2 Eingangsstufe (M2)

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.

Quad Eingangsstufe modifiziert
Quad Eingangsstufe modifiziert
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
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 Eingangsstufe Modifikationen Lötseite
M1 Board Modifikationen Eingangsstufe Lötseite Pin3
M1 Board Modifikationen Eingangsstufe Lötseite Pin3

Eingangsstufe Modifikationen des 405-2 Boards (M2):

M2 Board Modifikation Eingangsstufe Lötseite
M2 Board Modifikation Eingangsstufe Lötseite
M2 Board Modifikation Einggangsstufe Bestückungsseite
M2 Board Modifikation Einggangsstufe Bestückungsseite

Weitere Modifikationen nach Keith Snook DCD Mod3

 

Folgende Themen werden noch ergänzt:

Schaltung DCD-Mod3

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
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:

Grundschaltung SI8752
Grundschaltung SI8752

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.

 

QUAD 405 Schutzschaltung
QUAD 405 Schutzschaltung

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.

Verdrahtung des SSR
Verdrahtung des SSR

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.

Messungen im Urzustand

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:

Aufgeblähte Netzteilkondensatoren
Korrosion an den Kontakten
LM301
Ablagerungen an den Elkos
BDY74 als Endtransistoren, Ptot: 117W, ICmax:15A, Umax: 150V
Hergestellt in 1976, Teilweise sind Bauteile aus 1974 verbaut
Äußerlich gut erhalten
Stark angelaufene Leiterbahnen
Korrossion
Ausgeblühte Kondensatoren

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

Originalbestückung aus den 70er Jahren
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.

Messwerte nach Umbau beider Quad 405 zu Quad 405-2 und DCD-Mod3
Frequenzgang der 4 Kanäle -mit der Loopback Messung – zu beachten ist die Skalierung. Die Abweichung ist besser als 0,3 db zwischen 20 Hz. und 20 kHz.
Grundrauschen / Noiselevel
Dynamikumfang / Dynamic Range
Nichtlineare Verzerrungen THD
Intermodulationsverzerrungen IMD
Intermodulationsverzerrungen

QUAD 57 Elektrostaten (ESL 57) Restauration

Besonders interessant finde ich die von der Firma QUAD in den 50er bis 70er Jahren entwickelten elektrostatischen Lautsprecher (ESL 57).
Ich hatte das Glück, im Jahre 2014 ein paar QUAD 57 ESL über ebay zu erwerben. Optisch waren die beiden Flächenstrahler eine Herausforderung.
Die ESLs waren ursprünglich einmal weiss, mit schwarzem Holz.
Die Vorbesitzer waren offensichtlich Raucher, die Front Grills sind entsprechend gelb eingefärbt.
Die ESLs haben die Seriennummern:
ESL1 : 51454, Baujahr 1980
ESL2: 51768, Baujahr 1980

 

Zustand

Die ESL befanden sich noch im QUAD Originalzustand. Das Gehäuse und die Befestigungen der Grills zeigen keine Spuren von Eingriffen oder Reparaturversuchen.
Nach Abnehmen der Rückwand wird deutlich, dass die letzten 40 Jahre einige Spuren an den ESLs hinterlassen haben:
Das rechte Bass Panel ist beschädigt. Die hintere Staubschutzfolie ist gerissen. Am linken oberen Rand sind deutlich Brandspuren am Rahmen des Treble Panels zu sehen, die anscheinend von einem Durchschlag des Bass Panels herrühren.

Der Bass-Stator scheint ebenfalls beschädigt zu sein. Das Treble Panel selbst scheint nicht beschädigt zu sein. Die Holzleiste an der Brandstelle liegt allerdings nicht mehr Plan, so das die Staubschutzfolie des Treble Panels nicht mehr ganz straff gespannt ist.

Die Frontgrills sehen sehr verschmutzt aus. Ursprünglich waren die einmal weiß, inzwischen sind sie aber braun-gelb.

        

Frequenzgang der ESLs
ESL Frequenzgänge

Ebendso erstaunlich fand ich die doch geringen Abweichungen des Freuenzganges der beiden Lautsprecher.

 

Restauration

Die Restauration umfasst eine Überarbeitung aller Komponenten der Elektrostaten.

1. Äußere Gehäuse (Vorder und Rückseite)

2. Hochspannungsnetzteil (EHT)

3. Audio-Transformator

4. Bass Panels und Mittel-Hochton-Panel

5. Anpassung der Hörposition durch neue Ständer

Äußere Gehäuse – Frontgrill

Zunächst habe ich mich um die Frontgrills gekümmert.
Nikotin gehört chemisch zu den Fetten. Mit einem Fettlöser für die Küche verschwindet der ecklige Film im Ausguss der Badewanne. Darunter kommt ein sehr angenehmes ins Elfenbein tendierende Weiss zu Tage.   Das ursprüngliche Weiss ist noch eine Nuance heller, aber für ein 35 Jahre altes Gerät sieht der Grill jetzt wieder super aus.

Gereinigte Front Panels
ESL 57 Erneuerte Panels in linker Box noch ohne Abdeckungen
ESL 57 Erneuerte Panels in linker Box noch ohne Abdeckungen
ESL 57 komplett restauriert (linke Box) mit Mikrofon
ESL 57 komplett restauriert (linke Box) mit Mikrofon
ESL 57 komplett renoviert (Rechts)
ESL 57 komplett renoviert (Rechts)

Die richtige Positionierung der Lautsprecher – Stichwort „Spider-Rails“ bzw. Spinnen-Beine.
Die neuen Seitenteile bestehen aus 26 mm starken, 102 cm hohen Ständern, die mit einem dritten Bein in der Mitte des ESL ein Dreibein-Gestell bilden.
Die Einzelteile wurden vom Tischler aus einer massiven Platte Bambus gesägt und von mir fein geschliffen und geölt. Zur Befestigung der Seitenteile habe ich M4 Buchsen in die Gestelle der ESL’s eingesetzt. Die ESL’s werden dadurch senkrecht aufgerichtet und auf eine Höhe von ca. 33 cm angehoben,  so dass sich die Mitte der Panels in etwa auf Ohrhöhe befinden. Die Panels werden durch das dritte Bein auch fast senkrecht aufgerichtet. Damit erfolgt die Schallabstrahlung zum Sitzplatz ‚geradlinig‘ bzw. direkt.

Auf Grund meines relativ kleinen Raumes ergibt sich ein Hörabstand von ungefähr 1,50 – 1,80 Meter, wodurch  fast ausschliesslich Direktschall das Hörgeschehen umsetzt.

Der Frequenzgang der ESLs ist in engen Grenzen geradlinig. Unterhalb 200 Herz spielt die Aufstellung im Raum die Hauptrolle, ab 400 Herz verschwindet der Raumeinfluß und die mittleren Panels (Mittel-Hochton-Einheiten) dominieren die Wiedergabe.

Frequenzgang ESL 57 , Entfernung 1 Meter, ca. 1 Watt
Frequenzgang ESL 57 , Entfernung 1 Meter, ca. 1 Watt

Hochspannungsnetzteil (EHT)

Zur Messung der Hochspannungen für die Basspanels und MHT Panels habe ich eine Mess-Sonde mit 1500 MegOhm benutzt, welche in Verbindung mit den 10 MOhm Innnenwiderstand des Fluke DMM einen Spannungsteiler bildet.

Die gemessene Spannung muss mit dem Faktor 151 multipliziert werden um die Panelsspannung zu erhalten. Damit ergibt sich die Spannung am Basspanel mit 33,2 V * 151 = 5013V .
Das erscheint etwas zu gering. Zu beachten ist aber, das die Kapazitätskaskade (Cockcroft-Walton-Schaltung) mit 8 * 10nf Kondensatoren einen sehr hohen Innenwiderstand aufweist, so daß die Belastung mit der Messeinrichtung die Spannung zusammenbrechen lässt.  Ich würde schätzen, das die Belastung durch die Messeinrichtung zwischen 10% und 20% Spannungsverlust bewirkt, so daß die real vorhandene Spannung zwischen 5500 und 6000 Volt liegt. 
Messung der MHT Hochspannung ergibt 9,32 Volt, was umgerechnet 1407 Volt ergibt, also rund 100 Volt zu wenig wäre.

Da die Hochspannungskaskade in einem Block mit Bienenwachs verborgen ist, habe ich in Eagle ein eigenes PCB entworfen, daß zusätzlich die Enquist Modifikation umsetzt.

Enquist Modifikation

Enquist-Modifikation

Diese Modifikation stellt Indikatoren zur Verfügung, die anzeigen, wie oft die Panels eine Ladeimpuls ziehen. Ein gesundes Panel lädt jeweils alle paar Sekunden. Ein defektes Panel, oder eine sehr hohe Luftfeuchtigkeit, führt dazu, dass die Glimmlampe sehr häufig, unter Umständen sogar permanent leuchtet. Das EHT Modul erhält einen separaten Anschluß für jedes Panel, so daß auf einen Blick erkannt werden kann, ob es Probleme bei einem der Panels gibt.

EHT Schaltung

EHT_Supply Schematic

Im Gegensatz zur Originalschaltung sind die Kondensatoren für die Villard-Greinacher Schaltung im Wert verdoppelt, also 20 nF mit 3kV Spannungsfestigkeit, um die Stabilität der gewonnenen Panelspannung zu erhöhen.

EHT PCB

EHT PCB Bestückungs- und Unterseite

Als letzte Modifikation wird der veraltete Netzanschluss durch eine neue IEC 220 V Buchse ersetzt. Eine Ausführung in Metall in gleicher Bauform wie die alte Buchse wurde bei ebay angeboten.

EHT Restauriert

EHT restauriert – Frontseite
EHT restauriert Rückseite

Der Audio Transformator

Schutzschaltung

11 Zenerdioden BZT 03 C200 und eine Gleichrichterschaltung aus 4 GP02-40. Zusätzlich habe ich eine Neon Lampe mit 100K Vorwiderstand parallel zu einer Zenerdiode geschaltet. Die Leuchte zeigt jetzt an, wenn 200 Volt an der Diode anliegen und damit der „Clipping“ Fall eintritt.

Wenn ich die Schaltung aus dem gleichgerichteten Signal und dem Capping der Spannung ab ca. 2200 Volt anschaue, so handelt es sich dabei um eine gleichgerichtete Spannung, deren Effektivwert zwar genauso gross ist, wie die Wechselspannung, deren Spitze-Spitze Spannung durch die Gleichrichtung aber nur halb so groß ist. Das heisst im Umkehrschluss, dass die Wechselspannung bereits 4400 Volt Spitze betragen muss damit die Spannung durch die Zenerdioden kurzgeschlossen wird.

Schutzschaltung für ca. 4000 V Spitzenspannung
Schutzschaltung für ca. 4000 V Spitzenspannung

Hier das Clamp-Board mit dem Clipping Indikator fertig eingebaut. Die Neon Lampe habe ich über ein langes Kabel in den Rahmen nach vorne verlegt, so dass die Clipping Warnung vorne durch das Gitter sichtbar ist.