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Einblick und Reparatur des KOSS ESP9 Elektrostaten

Der KOSS ESP9 elektrostatische Kopfhörer war zu seiner Zeit (um 1970) ein herausragendes Teil. Es gab da nichts Bessseres. Noch viel erstaunlicher war der völlig irre Preis von um die 100 US Dollar (in den amerikanischen Audio-Clubs). Bei uns in den deutschen Hifi-Studios sollte der ESP9 an die 1000.- DM kosten.
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Das elektrostatische Prinzip war lange vorher bekannt

Bei den größeren und edlen (Oma's) GRUNDIG Röhren-Radios fand der aufmerksame Leser bereits um 1954 die ersten elektrostatischen Hochtöner und ein elektrostatisches Mikrofon. Noch früher um 1936 herum hatte Georg Neumann in Berlin die Neumann Flaschen entwickelt. Also neu war das Prinzip nicht. Doch jetzt sollte es in "auf dem Kopf tragbare Stereo-Lautsprecher" eingebaut werden. Und das war nicht ganz so einfach.
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Der elektrostatische Lautsprecher ist eigentlich ganz einfach

Zwei Metallgitter mit etwas Abstand werden mit einer statischen Hochspannung (Gleichspanung) versorgt (angeschlossen) und genau in der Mitte zwischen den beiden Metallgittern wird (berührungslos auf Abstand) eine metallische Folie eingespannt. Wird diese Metallfolie mit einer Wechselspannung "verbunden", bewegt sie sich zwischen dem positiven und dem negativen Gitter hin und her. Und weil diese Folie sehr dünn ist, wiegt sie fast nichts und ist so die ideale trägheistlose Lautsprecher- membrane. So weit die Theorie.

In der KOSS Bedienungsanleitung steht es folgendermaßen :

Kapitel (6) Funktionstheorie (original aus dem Koss Manual)

Fig. 3 Schnittbild eines ESP-9 "Stereophone cup"
hier das Foto dazu

Die bewegliche Membran des ESP-9 ist eine leitfähig beschichtete Polyurethanfolie mit einer Dicke von weniger als 0,5 Mil und einem Abstand von 25 Mil zwischen zwei perforierten, akustisch transparenten Metallplatten (das sind Gitter oder Lochbleche).

Wenn diese "Kombination" statisch (mit einer Hochspannung) aufgeladen wird, bewirken von der Quelle über den Kopplungstransformator zugeführte Wechselstromsignale, dass diese Membran entsprechend dem Signal von einer Platte zur anderen angezogen und abgestoßen wird.

Die dynamische und statische Stabilität der Membran wird durch die Push-Pull-Wirkung und die Vorspannung der beweglichen Membran aufrechterhalten. Diese Stabilität wird dadurch erreicht, dass die statische Ladung eine lange Zeitkonstante aufweist, wenn sie über den sehr großen Widerstand von 22 Megaohm den beiden Statorplatten zugeführt wird.

Dadurch ergibt sich ein Frequenzgang, der unterhalb der 1.500-Hz-Resonanz des Systems flach ist, und der Ausgang ist völlig frei von Verzerrungen der zweiten Harmonischen, mit Ausnahme derjenigen, die durch den Kopplungstransformator verursacht werden. Harmonische Verzerrungen ungerader Ordnung sind solche, die auf kleine asymmetrische Unterschiede von einer Seite der Membranfläche zur anderen zurückzuführen sind. Der Hochfrequenzgang wird durch kritische Dämpfung mittels Filz, Polyurethanschaum, Schallwänden, Schlitzen und Gittern geglättet.
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Die Übersetzung zum Schnittbild Fig. 3 (weiter oben)

BAFFLE Schallwand
FOAM SCHAUM
FELT GEFÜLLT
GRILL Gitter
DIAPHRAGM CONDUCTOR INSULATED BOTH SIDES BEIDSEITIG ISOLIERTER MEMBRANLEITER
LIQUID FILLED CUSHION Mit Flüssigkeit gefülltes Kissen
Das Netzgerät E/9 zum ESP-9
Die Front ohne den Umschalter

Der ESP-9 muss über das E9-Netzgerät direkt an die Ausgangsklemmen des Leistungs-Verstärkers oder Receivers angeschlossen werden.

VORSICHT: Stellen Sie sicher, dass der Verstärker ausgeschaltet ist, bevor Sie den E-9 anschließen. Die SCHWARZEN und ROTEN Drähte gehen an COMMON oder GROUND beider Kanäle. Wenn diese an die Hot- oder High-Klemmen der Verstärkerausgänge angeschlossen werden, entsteht kein Stereo. Darüber hinaus liegen die Außenplatten der ESP-9-Elemente neben dem Ohr auf Signalpotential statt auf Masse. Dies führt dazu, dass Staub auf die Membranoberfläche gelangt. Der WEISSE Draht speist die HEIßE des rechten Kanals und der GRÜNE Draht speist die HEIßE des linken Kanals.

Während der ESP-9 für eine Verstärker- Ausgangsimpedanz von 8 Ohm ausgelegt ist, wird der Frequenzgangbereich an den äußeren Grenzbereichen durch den Abgriff mit der niedrigsten Impedanz am Verstärker begünstigt. Einige Transistorverstärker verfügen jedoch über einen Vorwiderstand im 4-Ohm-Abgriff, so dass eine niedrige Lautsprecherlast keine höhere Leistung verbraucht und der Verstärker auch nicht in einen instabilen Betriebszustand gerät, in dem es zu Schwingungen kommen könnte. Bei einem Vorwiderstand im 4-Ohm-Abgriff wird ein besserer Betrieb des ESP-9 an den 8-Ohm- Verstärkerausgängen erreicht. Siehe Abb. 2.

Auf der Rückseite des E-9 befindet sich ein spezieller Schiebeschalter, der in Reihe geschaltete Eingangswiderstände einfügt, um Verstärker mit sehr niedrigen Dämpfungsfaktoren zu stabilisieren.
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Soweit eine halbautomatische Übesetzung des KOSS-Handbuches.
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Der Knackpunkt ist die Spannungsversorgung E/9

Zum ESP-9 gehört die Versorgungseinheit, das Netzteil E/9 - Die großen Elektrostaten von QUAD (ES 57) und von der Infinity (Servostatic 1) wurden mit über 1.000 Volt Gleichspannung betrieben. Bei den kleinen ESP-9 Hörern reichen um die 300 bis 400 Volt Gleichspannung aus, um die Metall-Folie (oder die metallbedampfte Kunststoffolie) in der Mitte zu fixieren.
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Der Schaltplan in der Bedienungsanleitung ist da nicht so richtig auskunftsfreudig (die Skizze ist unschafr), aber wir messen die Spannungen noch nach.
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Wichtiger ist für uns, es sind nur Keramik-Kondensatoren verbaut (oder eingesetzt) und die altern fast nicht. Auch die Dioden zur Spannungsverdopplung altern fast nicht.

Um die Flächenmembranen zu fixieren, sind keíne "großen" Ströme (bei 300V) notwendig. Alleine die hohe Spannung macht das. Erst die über einen Spezial-(Audio-) Trafo eingespeiste aufmodulierte Audio-Signalspannung aus der Hifi-Endstufe schickt ein wenig Leistung zu den Hörern.
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Die Bauteileliste des E9 ist erfreulicherweise kein Geheimnis :

LIST OF REPLACEABLE PARTS

ITEM Koss_Nr DESCRIPTION
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C1 and C2 11-1256 High Voltage Capacitor, 220 pf, 1.5kV
C3 and C4 11-1257 High Voltage Capacitor, 82 pf, 1.5kV
     
C5, C6, C7, C8, C9, C10, C11 and C12 41-0684 High Voltage Capacitor, .0068 mfd, 1kV
C13, C14, C15 and C16 11-1258 High Voltage Capacitor, 1200pf, 1.5kV
     
D1, D2, D3, D4, D5 and D6 11-1098 Diode, rectifier Solitron MV16A, B&T BTB-800, Power Components TE20S
D7, D8f D9, D10, D11, D12, D13and D14 11-1080 Diode, zener, 175V, 1 watt, 10% Solitron 1R175A, Power Components TZ175A
     
R1 and R2 41-0767 Resistor, 1 megohm, 1/2 watt, 10%
R5 and R8 41 0488 Resistor, 22 megohms, 172 watt, 10%
R3, R4, R6 and R7 41-0542 Resistor, 2.2 megohms, 1/2 watt, 10%
R15 and R16 11-1159 Resistor, 2.7 ohms, 1 watt, 10%
R11 and R12 11-1254 Resistor, 47 ohms, 2 watts, 10%
R9, R10, R13 and R14 41-0546 Resistor, 220k ohms, 1/2 watt, 10%
     
T1 and T2 11 1204 Audio Transformer, Koss
T3 and T4 11-1232 Power Transformer, Koss

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Alle alten Röhren-Fans werden erfreut lächeln, wenn sie viele Widerstandswerte im Meg-Ohm Bereich vorfinden. Bei Röhrenvertärkern war das normal.
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Bei uns wurde das ESP9 Netzteil schon vor Jahren modifiziert

Manchmal haben die Amis merkwürdige Vorstellungen von Qualität. Da wird ein ganz besonders edler Kopfhörer konzipiert und dann ein richtiger Popel-Umschalter mit eingebaut, der altenativ zu den Kopfhörern auf die beiden allermeist ebenso edlen Boxen umschalten kann. Das billige Ding habe ich bereits 1972 aus dem Verkehr gezogen.

Auch sonst ist manches von der Mechanik nicht auf dem damals angepeilten Niveau der akustischen Qualität. Wie bereits aufgeführt, kostete der ESP-9 für die amerikanischen Soldaten gerade mal 100 Dollar. Einen ganz simplen Kopfhörer bekam man sogar schon ab 7 Dollar. Ich bekam bei diesen Preisen nur noch große Augen und kam über Freunde an meinen hochgelobten SONY STR 6120 ran. Und der hatte 2 schaltbare Lautsprecherausgänge, sodaß dieser Koss-Popelschalter (bei mir) nicht gebraucht wurde.
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Doch vorher noch zu den Randbedingungen

Natürlich könnte man die Hochspannung für die beiden Elektroden (die Gitter oder die Lochbleche) links und rechts von der Folie aus ein und derselben Quelle speisen. Doch diese Spannungs-Quelle wird mit der Audio-Information moduliert und das würde über kreuz ein Übersprechen verursachen. Also müssen beide Hochspannungen separat erzeugt werden und auch separat moduliert werden. Insgesamt benötigt man dazu 4 Transformatoren.
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Weiterhin ist die Folie empfindlich gegen ein Anschlagen an die Elektroden bei zu hohen Pegeln. Das brennt Löcher in die Folie und die geht dann schneller kaputt. Bei den Mittelton- Panelen der Infinity Servostatic 1 hatte ich mir mit dem Crown DC 300A mit seinen 2 x 190 Watt alle 8 Mittelton-Panelen "durchlöchert". Das bedeutet, es funktinoniert bis zu einer gewissen Lautstärke, dann gehen die Folien kaputt.
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Dann sind 300 Volt direkt am Kopf nicht ganz ungefährlich. Die darf man um keinen Preis in oder an die Finger oder die Haut bekommen. Von den ölgefüllten Ohrmuscheln hatte ich schon erzählt. Die hatten den Langzeittest nicht bestanden und waren vor 20 Jahren schon am sich Zersetzen.
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Und man braucht eine wirklich stabile 30 Watt Endstufe.

Das war zu der Zeit um 1972 wirklich noch ein Problem. Die allermeisten amaligen Endstufen in diesem Leistungsbereich waren nicht stabil genug, um solch eine induktive und/oder kapazitive Last sauber zu schultern. Der kleine SAE Verstärker konnte das (für viel zu viel Geld) und heute gibt es genügend 50 Watt Endstufen, die das auch können. Da liegen aber 40 Jahre dazwischen.
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Die neuen Ersatz-Ohrmuscheln sind bestellt und wenn die da sind, geht es weiter.

(10) maintenance - Fehlersuche, Messungen und Tips

RESISTANCE and VOLTAGE - Alle "Ablesungen" mit einem 20,000 Ohm/Volt Röhrenvoltmeter mit RMS Spannungsbereich. Da die Spannungen an den nicht isolierten Pins innerhalb des Netzteils die 60 Volt erheblich übersteigen, ist Vorsicht geboten. Mit unseren VDE Normen hatten die Amis sowieso nichts (= nie etwas ) am Hut gehabt. Das billige Netzkabel (wie bei den BOSE 901 Equalizern) hatte ich gleich am ersten Tag ersetzt. Heute in 2024 wäre das Teil absolut unverkäuflich.
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Zustand bei der Messung : element assembled to circuit board, headset unplugged from E-9 :

LEFT_CUP ---------------- -----------------------------------------------------------------------------------
RESISTANCE_(Widerstand) FAULT (bei einem Fehler)
K to M = greater than 20 megohms If less than 10 megohms, element diaphragm is shorted
L to M = greater than 20 megohms If less than 10 megohms, element diaphragm is shorted
-------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------
RIGHT_CUP ----------------  
RESISTANCE_(Widerstand) FAULT (bei einem Fehler)
A to C = greater than 20 megohms If less than 10 megohms, element diaphragm is shorted
B to C = greater than 20 megohms If less than 10 megohms, element diaphragm is shorted
-------------------------------------------- ----------------------------------------------------------------------
E/9 CIRCUIT BOARD - board unplugged from socket
RESISTANCE_(Widerstand) FAULT (bei einem Fehler)
D1, D2 and D3 = less than 1k ohms forward resistance,, greater than 20 megohms reverse resistance Defective diode
D4, D5, D6 and D7 - less than 1k ohms forward resistance, greater than 20 megohms reverse resistance Defective diode

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Wenn der ESP9 nicht mehr will - weitere Kontrollmessungen

VOLTAGES (die messbaren Audio-Soannungen)
With 3V rms at 1 kHz applied (zugeführt von der Audio-Endstufe) to the primary, red and blue, of each audio transformer
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  • green to yellow = 90V rms ± 10%
  • yellow to black = 90V rms ± 10%
  • green to black = 180V rms ±10%

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With 117 VAC (bei uns ab Werk 230-240V) applied to the primary, black and black/red, of AC transformer
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  • red to red/yellow = 200V rms ± 10%
  • red to red - 400V rms ± 10%

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AUDIO TRANSFORMER
RESISTANCE BETWEEN TRANSFORMER LEADS - BOARD UNPLUGGED
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  • blue to red = 0.95 ohm = Defective transformer
  • green to yellow 1,8k ohms = Defective transformer
  • yellow to black = 1.6k ohms = Defective transformer
  • green to black 3.4k ohms = Defective transformer

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AC POWER TRANSFORMER
RESISTANCE BETWEEN TRANSFORMER LEADS - BOARD UNPLUGGED
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  • red/white to blue/white = 1k to 1.7k ohms = Defective transformer
  • red/black to green/white = 400 to 750 ohms = Defective transformer
  • red/black to black/white = 500 to 850 ohms = Defective transformer
  • green/white to black/white = 900 to 1600 ohms = Defective transformer

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