Mai 2016, Okt 2019, ...

Audio-Projekt   Bericht zum Verlauf der Herstellung

2 × 1200 Watt • High-End • Aktives Tri-Amping  Die Audio-Lügen

Vor einigen Monaten (2016) wurde ein großes Audio-Projekt begonnen, das bis zur Fertigstellung durchaus mehrere Jahre brutto dauern kann.
Das Grob-Konzept ist durch das nachfolgende Bild dargelegt:

projektskizze

Die Angabe 1500 W bezieht sich auf die Leistung des jeweiligen Transformators von 1500 VA. An die Lautsprecher-Chassis allein kann diese Gesamtleistung nicht abgegeben werden, denn die Transistoren der Endstufen geben Leistungswärme in ihre Kühlkörper hinein. Die Leistungs-Angaben in den Boxen beziehen sich auf die Angabe der Maximal-Leistung der Hersteller.

Diese Webseite wird immer mal wieder angepaßt werden, während der Projektlaufzeit. Die endgültige Beschreibung und Dokumentation mit vielen Fotos und weiteren Grafiken wird nach Abschluß des Projektes entstehen.
Die Anlage wird zu 100 % selbst entwickelt und gebaut. Beispielsweise werden alle Schaltungen [amp7] und die Leiterplatten selbst entwickelt. Es werden SMD-Bauelemente mit ≥1,27 mm Pin-Ab­stand verwendet.

Konzept

Es wurde ein absolut überlegenes Konzept beschlossen: Passive Frequenzweichen werden mit höchster Priorität vermieden. Alle Lautsprecher-Chassis werden unmittelbar an die Verstärker angeschlossen. Das erzwingt aktive Frequenzweichen; drei Frequenzwege sind vorgesehen. Ebenso zwangsläufig sind 2 × 3 Verstärker. Das ermöglicht beliebig unterschiedliche technische Auslegungen vom Vorverstärker bis zu den Lautsprecher-Chassis. Aktiv-Boxen sind wegen der Leistung von 1500 Watt pro Kanal ausgeschlossen. Das Konzept ist am besten durch den Begriff Aktives Tri-Amping erklärt. Die Gesamtleistung wurde (auch) auf 3000 VA bemessen, damit die Verstärker an einer einzigen Steckdose betrieben werden können. Eine Schuko-Steckdose kann bis zu 3700 Watt liefern. Die Anlage enthält (zunächst) keine Mikrokontroller-Elektronik.

Es gibt zwei Boxen pro Stereo-Kanal. Das ermöglicht eine unabhängige Konstruktion und die obere Box kann beliebig verschoben, gedreht und geneigt werden, was riesige Vorteile sind. Die Verstärker stehen neben den Boxen, mit Lautsprecherkabeln von nur 2 - 3 Metern Länge. Ein 3-fach-Verstärker wiegt etwa 35 kg, eine Baßbox hat etwa 250 l Volumen und wiegt etwa 80 kg. Die Baßboxen stehen wegen des hohen Gewichts auf gleichzeitig entkoppelnden Gummirollen und sind daher rollbar. Alle Boxen sind beliebig oft zerlegbar. Es werden über 700 Gewinde-Muffen M5 und M6 verwendet. Die Verstärker können von einer Person gehoben und bewegt werden. Die Baßboxen können von einer Person niedergelegt, aufgerichtet und gerollt werden. Das ist wohlüberlegtes Bestandteil des Gesamtkonzeptes.

Als Lautsprecherchassis werden die nachfolgenden verwendet (.pdf):
Tiefton     Mittelton     Hochton
Es werden 2 Tieftöner pro Baßbox verwendet. Ein Tieftöner hat 2 Schwingspulen und somit 4 Anschlüsse. Auf der Rückseite jeder Baßbox befindet sich ein Steckbrett mit 32 Telefonbuchsen für Kurzschluß-Stecker, um die Tieftöner in der Box beliebig verschalten zu können. Der Mitteltöner ist ein Tiefmitteltöner, dessen Tiefton nicht benutzt wird. Dieses Chassis ist das high-end-igste. Der Hochtöner ist ein Air-Motion-Transformer. Die Chassis übernehmen jeweils ungefähr eine Dekade Frequenz: 20 - 200 Hz ◊ 200 - 2000 Hz ◊ 2000 - 20000 Hz. Um die Boxen mit den Verstärkern zu verbinden, werden extra dafür entwickelte 4-polige speakON-Steckverbindungen verwendet. Diese sind für 40 A Dauerstrom pro Kontakt spezifiziert und deutlich pro­fessio­neller als alle anderen hier üblichen Verbindungen.

Jeder Verstärker arbeitet mit 3 × 2 Endstufen in Brückenschaltung. Das hat verschiedene Gründe. Die Transformation besteht aus 3 parallel geschalteten Ringkern-Transformatoren mit je 500 VA und 2 × 35 Veff. Eine Sanfteinschaltvorrichtung ist vorhanden. Die Brücken werden gespeist von einer Doppel-Betriebsspannung, wobei zwischen Plus und Minus eine Kapazität von 100000 µF / 100 V wirkt und zwischen Plus und Null und Null und Minus jeweils 470 µF / 63 V wirken. Der große Kondensator verträgt dauerhaft 114 A Ripple-Strom und hat einen ESR von 1,5 mΩ bei 100 Hz und 3 mΩ bei 10 kHz. Achtung, bei Brückenschaltung fließt der Laststrom zwischen Plus und Minus. Über das Bezugspotential Masse 0V fließen nur einige Milliampere Strom, die Endstufen betreffend. Für eine Verbindung zwischen Masse und Gehäuse sind Wahlmöglichkeiten per DIP-Schalter vorgesehen. Der Schutzleiter wird über eine Drossel an das Gehäuse angeschlossen.

Die Hauptspannung ist mit knapp 100 Volt relativ gering. Sie wird von allen Endstufen benutzt. Der Transformator kann 21,4 Aeff dauerhaft liefern. Die Baß-Endstufe kann vom Haupt­kon­den­sa­tor her maximal 60 A kurzzeitig liefern. An die Lautsprecher eines Kanals insgesamt können dauerhaft ungefähr 1000 Watt abgegeben werden, kurzzeitig etwa 2000 Watt. Etwa 400 Watt gehen als Verlustwärme in die Kühlkörper. Der Ruhestrom durch 24 Transistoren (4×4+4×1+4×1) ergibt 240 Watt. Die zwei Kühlkörper werden temperaturüberwacht; die Verstärker sind lüfterlos.

Eine Brückenschaltung kann eine 4-fach höhere Leistung abgeben als eine einzelne Endstufe, bei gleicher Betriebsspannung. Es fließen keine Ströme über Masse. Eine Brückenschaltung (aus zwei Endstufen) ist ein Differenzverstärker. Und zwar an Eingang und Ausgang. Das bedeutet, daß Störungen auf der Betriebsspannung prinzipbedingt nicht störend zum Differenzausgang durchwirken können, an den der Lautsprecher angeschlossen ist. Die Differenzausgänge des Vorverstärkers können folglich durchgängig bis zum Lautsprecher mit dem vorteilhaften Differenzprinzip verlängert werden.

Als Leistungstransistoren in den Endstufen werden sogenannte ALFET verwendet. Das sind Audio-Lateral-MOSFETs mit dem typischen Temperaturgang-Kreuzungspunkt bei nur etwa 200 mA Drain-Strom (--> Ruhestrom). Für die Baß-Endstufe werden je 3-4 Transistoren parallel geschaltet.

Bei Brückenschaltung von zwei Endstufen kann ein zerstörter Endstufen-Transistor einen Lautsprecher sehr wahrscheinlich nicht beschädigen, denn dazu müßten gleichzeitig in beiden Endstufen je ein komplementärer Transistor zerstört sein.
Jede Brückenschaltung ist mit einer aufwendigen Ausgangsstrommessung ausgestattet. Diese Einrichtung hat einen trägen und einen flinken Zweig. Die Wirkung beider Zweige kann stufenlos von 0 bis MAX eingestellt werden. Die Stromschwelle kann ebenfalls stufenlos eingestellt werden, von etwa 1 % bis 101 %. Nach Erreichen der Schwelle wird innerhalb von Mikrosekunden das Eingangssignal kurzgeschlossen, und das Gerät wird abgeschaltet. Diese Einrichtung schützt Lautsprecher und Endstufen. Lautsprecher werden vor Überhitzung der Schwingspule und zu großer Membranauslenkung geschützt. Beim Baß-Chassis muß überwiegend die Membranauslenkung beachtet werden, beim Hochton-Chassis die Schwingspulentemperatur. Insgesamt werden noch einige weitere Überwachungsschaltungen realisiert werden.

Die Endstufen enthalten je etwa 15 Operationsverstärker, jedoch außerhalb des gegen­ge­koppel­ten Signalpfades, insgesamt das Beste vom Besten. Darunter sind auch Instrumentation-OPV. Bei­spiels­weise wird die Ausgangsgleichspannung mittels eines Regelkreises auf Null gehalten.
Wenn der Anspruch High-End besteht, muß eben ziemlich kompromißlos geklotzt werden. Zumindest muß professionelle Technik, wie man sie in der Industrie erwartet, verwirklicht werden. Massive Silberdrähte wären dabei keineswegs professionell, sondern unprofessioneller Bullshit. Warum? Lohnender ist es, einfach Kupfer zu verwenden, und das frei werdende Kapital in Schaltungstechnik zu stecken. High-End bezieht sich nämlich primär auf die technischen Eigenschaften und nicht auf unsinnige Spielereien mit massiven Edelmetallen.

Der 3-fach-Verstärker besitzt keine Bedienungselemente in der Frontplatte. Es gibt dort lediglich sechs Anzeige-LEDs. Die Rückseite weist mehrere Pegelsteller und viele Trimmer für die Schutzschaltungen auf, und einen Überbrückungsschalter für die Remote-Einschaltung vom Vorverstärker. Hierfür wird ein 8-poliger Stecker RJ45 verwendet. Es sind folglich 6 Leitungen frei für beispielsweise ein CAN-Bus-Signal plus Versorgungsspannung von CAN-Geräten (4 Leitungen).
Die Verstärker sind DC-gekoppelt, es gibt keine Kondensatoren im Signalpfad. Die Lautsprecherströme laufen nicht über Relais-Kontakte, weil die Schaltungstechnik dies entbehrlich macht. Es sind diverse gestufte Einschaltfunktionen mit Hysterese vorhanden.

Eine große Anzahl von Spannungsreglern befinden sich im Verstärker. Die Spannungen ±24 V werden im Gerät verteilt. Die Brummunterdrückung beträgt 80 db. Auf den Platinen werden daraus weitere kleinere ±Spannungen gewonnen. Die Brummunterdrückung beträgt hier weitere ≥45 db. Möglichst viel Schaltung wird von stabilisierten Spannungen versorgt. Die einzige nicht stabilisierte Spannung ist die Hauptspannung ±50 V, die die die Lautsprecher treibenden Leistungstransistoren versorgt.

Der Vorverstärker enthält die Frequenzweichen plus eine Tiefbaßanpassung. Die Hoch- und Tiefpässe sind 8. Ordnung mit 48 db pro Oktave. Natürlich werden impulsfeste Polypropylen-Kon­den­sa­to­ren verwendet. Auch hier sind die Operationsverstärker das Beste vom Besten. Beispieldaten: Klirr+Rauschen 0,000015 % ◊ Rauschen 1,1 nV/√Hz ◊ 40 MHz ◊ 27 V/µs. Es werden Digital-Potentiometer mit Reedrelais verwendet, mit einer Lebensdauer von mindestens hunderten Mio. Schaltvorgängen. Insbesondere kann die Lautstärke der drei Fre­quenz­be­reiche getrennt eingestellt werden, wodurch unter anderem Unterschiede beim Wirkungsgrad der Lautsprecher bedeutungslos werden. Es werden symmetrische Differenz-Ausgänge an 2000 Ω verwendet, per XLR-Steckverbindung.

Lautsprecher-Steckverbindungen

Die üblichen Verbindungen von Lautsprecherkabeln sind im Grunde unprofessioneller Bullshit. Schraub- und Klemmterminals für einzelne Drahtenden sind eigentlich für temporäre Verbindungen im Elektrolabor gedacht. Kabel mit heraushängenden Einzeldrähten sind kritikwürdig und können frei zugänglich gefährliche Spannungen bei größeren Leistungen führen. Eine Zugentlastung existiert nicht.
Bei
speakON-Verbindungen ist alles isoliert und für 250 V zugelassen. Die Steckverbindung ist zwangsverriegelt und kann verpolungssicher innerhalb von einer Sekunde gesteckt wie auch gezogen werden. Es ist eine professionelle Spannzangen-Zugentlastung vorhanden. Farb­co­dierung steht zur Verfügung.
Nur ein Merkmal ist negativ aufgefallen: Die FASTON-Flachsteckverbindungen 6,35 mm bei bestimmten Einbausteckern können garantiert keine 40 A führen. Datenblätter nennen 16 A bis 24 A, je nach Material, Beschichtung und Drahtquerschnitt. Relais mit Kontakten für 30 A sind mit Steckzungen mit 9,5 mm Breite und 1,2 mm Dicke ausgerüstet. Dies Beispiel zeigt deutlich, daß 40 A nicht möglich sind. Dabei geht es nicht um die Steckzungen, die durchaus mit 40 A belastbar sind, sondern um den Kontakt-Übergangswiderstand, an dem ja Wärme entsteht, und um den Flachstecker aus dünnem federnden Blech aus Bronze oder Messing (0,35 mm).


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Bericht zum Verlauf der Herstellung

Das Projekt wurde nach wenigen Monaten im Jahr 2016, bis Oktober 2019 unterbrochen. Und das war gut so, denn nun gibt es u.a. neue Möglichkeiten, um wichtige Teile des Projekts herzustellen. Beispielsweise werden nun Faserlaser zum hochpräzisen Ausschneiden von beliebigen Bereichen eines Bleches angeboten.

In 2016 wurden 6 verschiedene Schaltpläne von Endstufen erstellt, mittels der Software LTspice simuliert und intensiv untersucht. Alle Schaltungen haben befriedigend bis gut funktioniert. Es wurden Klirrfaktoren und dynamische Ausgangswiderstände von 0.0x erreicht. Jedesmal wurde ein besonderes Konzept angewandt. Nämlich eine Anordnung der Drain-Anschlüsse der Ausgangs-MOSFET-Transistoren zum Ausgang hin, anstatt die Source-Anschlüsse dem Ausgang zuzuordnen. Dieses Konzept bietet einige eminente Vorteile, hat aber leider insbesondere bei Verwendung für Audio-Endstufen Nachteile, die in ihrer Gesamtheit nicht vernünftig besiegt werden konnten. Das Wort Sackgasse
ist für diese Schaltungs-Situation zutreffend:  Die sechste Endstufe 2016

Aus diesem Grund wird das klassische Konzept, welches seit spätestens den 1970ern bekannt ist, (wieder) favorisiert. Eine vollkommen symmetrische Schaltung zeigt glänzende Ergebnisse. Dies ist eine Endstufen-Schaltung aus der ALFET-Szene, die als Vorlage verwendet wird. Allerdings muß nun neben der Spannungsversorgung mit ±50V (21A~) eine weitere Versorgung mit etwa ±70V für die Endstufen-Vorstufe vorgesehen werden, was ein Nachteil des klassischen Konzepts ist. Weiterhin muß die Spannungsfestigkeit der dort verwendeten Transistoren entsprechend mindestens 140V betragen. Bei dem anderen, in 2016 untersuchten Konzept, reichte eine Versorgung mit ±18V aus, was viele Vorteile hat.

Endstufen

Ende Nov. 2019, Feb. 2020

Einige Daten aus der Simulation mit LTspice:

ParameterBedingungenFrequenzWert
AllgemeingültigLast: 4 Ω
Klirrfaktor
(8 Harmonische)
Ausgangsspannung
±1,4 Vs
1 kHz  0.000026 %
30 kHz  0.0014 %
200 kHz  0.045 %
Ausgangsspannung
±47 Vs
1 kHz  0.002 %
30 kHz  0.06 %
200 kHz  0.45 %
Dynamischer
Ausgangswiderstand
1 kHz  0.00035 Ω
20 kHz  0.006 Ω
200 kHz  0.056 Ω
Bandbreite-3 dB∼700 kHz
Spannungsanstiegs-
geschwindigkeit
(slew rate)
aktuell152 V/µs 
initial53 V/µs 

Ein Klirrfaktor bei 1 kHz hat eine gesteigerte Wichtigkeit, da alle Harmonischen von der Frequenz her hörbar sind. Die Daten stammen von einer einzelnen Endstufe, nicht von zwei Endstufen in Brückenschaltung. Eine Brückenschaltung hat ±94 V und entsprechend mehr Strom.

Kurven-Diagramme

Die Diagramme/Bilder sind meistens für den Browser auf halbe Größe eingestellt. Mittels rechter Maustaste (Menü) können grundsätzlich alle Bilder separiert in voller Größe betrachtet werden.

In Blau der Gate-Strom (rechte Skala):
Sinus 200 kHz

Sinus 400 Hz; 0.8 Ohm
Es ist zu beachten, daß der Gate-Strom bei dieser niedrigen Frequenz von seiner Höhe her kaum von Bedeutung ist. Die Belastung des Treibers ist sehr gering. Für Baß- und Mittelton-Endstufe liegen sehr geringe Frequenzen vor. Nur die Hochton-Endstufe stellt gehobene Ansprüche, hinsichtlich der Frequenzhöhe.

Rechteck 100 kHz
Ein Rechtecksignal ermöglicht einfach die Feststellung der Slew rate [V/µs]. Die unerwünschte Kurvenform (im Detail) nach einem Anstieg und einem Abfall ermöglicht erfahrenen Entwicklern eine Einschätzung der Eigenschaften der vorliegenden Schaltung. Dieses leichte Überschwingen wird deutlich kleiner, wenn die Schaltung von der vorliegenden Slew rate von etwa 150 V/µs auf 50 V/µs verlangsamt wird. Die Kurvenform sollte möglichst gut einem Trapez entsprechen, also nicht verbogen sein, was die großen Längen angeht.

Frequenzgang bis 300 kHz
Bei diesem Frequenzgang-Diagramm gilt es zu beachten, daß die linke Skala sehr geringe Abstände [dB] anzeigt. Es ist deutlich erkennbar, daß es nicht übertrieben ist, wenn ein Verstärker mehrere 100 kHz mit nur geringer Dämpfung verstärken kann. Denn auch bei einer Bandbreite (-3dB) von 300 kHz weichen Phase und Amplitude deswegen bereits bei 20 kHz eindeutig erkennbar vom Optimum ab.

Differenz Ausgang-Eingang
Eine generierte und in Amplitude und Phase angepaßte Eingangsspannung wurde von der Ausgangsspannung subtrahiert. Das Resultat ist die Differenz zwischen Eingangs- und Ausgangs-Signal. Also das, was die Endstufe dem Quell-Signal an Verzerrungen hinzufügt. Die Genauigkeit ist abhängig von dem Abgleich von Amplitude und Phase. Als regelrechter Meßwert ist das Ergebnis nicht geeignet, sondern, um den Betrag und die Art der Verzerrungen (optisch) zu erkennen, und wo zwecks Verbesserung angesetzt werden kann. Zum Abgleich wurden die Verstärkung der Endstufe (10,36) und deren Phasenverschiebung (16,8° bei 200 kHz) verwendet. Das grüne und das blaue Signal stehen im Diagramm übereinander. Die Differenz wurde mit 100 multipliziert. Es ist ein DC-Offset erkennbar, weil der Servo für die DC-Ausgangsspannung den Ausgang zum Zeitpunkt noch nicht ganz genullt hat.

Platinen (PCB)

22.Dez.2019

Die erste Platine start ist fertig.

PCB mit Start-Funktionen
Es ist eine StandBy-Funktion. Solange der Hauptschalter EIN ist, steht diese Schaltung unter Betriebsspannung. Die blaue LED StandBy leuchtet währenddessen. Der Verbrauch beträgt nur 0,7+0,5 Watt. Alles andere ist AUS und wird über zwei Relais eingeschaltet. Ein Einschalten erfolgt, falls ein Einschalter am Endverstärker oder am entfernten Vorverstärker eingeschaltet ist. Das Haupt-Relais wird nach etwa 40 ms eingeschaltet. Das zweite Relais dient einem Einschalt-Überstromschutz. Dieses wird nach ungefähr 0,5 Sekunden eingeschaltet. Nun wird die grüne LED EIN eingeschaltet.
Es sind 4 weitere LEDs vorhanden, als Fehler-Anzeige: Rot, Gelb, Orange, Pink.
Fehlerzuordnung: Temperatur, Baßverstärker, Mittenverstärker, Höhenverstärker. Es werden vier Temperaturen gemessen: Transformator, Lade-Elkos, linker und rechter Kühlkörper. Die drei Verstärker haben jeweils 4 verschiedene Gründe, Fehler anzuzeigen. Jeder Fehler schaltet sofort das Eingangssignal ab und das Gerät aus. Ein Fehler kann nur durch Ausschalten des Hauptschalters gelöscht werden.
Die Messungen und Erkennungen für die Fehler der drei Verstärker werden nicht auf dieser start-Platine vorgenommen.
An der Rückseite des Gerätes können 4x4=16 Limits eingestellt werden. Die 4 Temperaturen und die je 4 Fehler der drei Endstufen. Es wird jeweils eine Spannung 0..10 Volt eingestellt. Beispielsweise entspricht 10 Volt einer Temperatur von 100°C. Die Spannungen 0..10V sind auf der Rückseite meßbar.

Fotos

25.Dez.2019

Formieren der Elektrolyt-Kondensatoren
Nach 3,5 Jahren Lagerzeit wurden die großen Lade-Elkos vorsichtig in Betrieb genommen. Es sind vier Elkos EPCOS 47000 µF · 100 V. Darüber hinaus wurden sie weiter chemisch formiert, zu einer erhöhten Nennspannung von etwa 130 Volt.
Trotz 2,4 A Ruhestrom (240 W) sind bei 237 V Netzspannung 100 V an den Elkos erreicht. Elkos mit 120 V wären folglich ideal gewesen. Jedoch hochkapazitive Elkos mit mehr als 100 V stellt EPCOS nicht her. Dies ist der Grund für die elektrochemische Höherformierung. Nach dieser Behandlung liegt der Leckstrom bei 100 V bei nur 50 µA.
Der Leckstrom ist bei 125/130 V mit 5 mA etwa halb so hoch, wie der Maximal-Wert laut Datenblatt: 9,4 mA. Diese Kondensatoren von EPCOS zeigen bei einem Nennwert von UR = 100 V aufgrund ihres Verhaltens eine wirkliche Spannungsfestigkeit von 125 V (allerdings bei 20°C). Siemens-Kondensatoren waren schon immer robust.

30.Dez.2019

Transformatoren und Kühlkörper
Insgesamt sind 6 Ringkerntransformatoren mit je 500 VA und 4 Kühlkörper 300×200×85 mm³ für beide Dreifach-Endstufen vorhanden.

31.Dez.2019

Test des Netzteils
Drei primär parallel geschaltete Transformatoren (1500 VA) haben einen primären Leerlauf-Strom von 36 mA, bei offenen Sekundär-Wicklungen. Sind alle Sekundär-Wicklungen parallel geschaltet, beträgt dieser Leerlauf-Strom 38 mA. Ausgleichsströme sind folglich vernachlässigbar.
Die Schalter sind zwecks zeitweiser Überbrückung des Stoßstrombegrenzungswiderstands (hinter Lüsterklemme, messingfarben, 15 Ω, 50 W) und der Strom-Messung (gelbe Telefonbuchsen) vorhanden. Ein Lastwiderstand mit etwa 250 W (links) bildet eine dem späteren Ruhestrom entsprechende Last (ca. 2,4 A an 100 V). Der Brückengleichrichter verträgt dauerhaft einen Strom von 35 A bei einer Gehäusetemperatur von 85°C. Die Kondensatoren haben gemeinsam einen ESR von nur 0,0015 Ω, der bis etwa 30 kHz so niedrig bleibt. Der maximale Ripple-Strom beträgt 114 A. Die Lebensdauer dürfte sich bei der geplanten Verwendung in einem Audio-Verstärker zu mindestens 250000 h ergeben.
Der Stoßstrombegrenzungswiderstand wird um etwa 7°C wärmer, durch einen Einschaltvorgang plus Aufladung der Ladekondensatoren. Falls er durch Fehler nicht überbrückt wird, verträgt er eine Sekundärlast von 250 W dauerhaft.
In die Lüsterklemmen links wurden Kupferblechstreifen eingesteckt, weil ohne diese die jeweils drei massiven Drähte der Sekundär-Wicklungen nicht festklemmbar waren.

Test Wärmeleitmaterial

Am Rande des Audio-Projektes wurden verschiedene Wärmeleitmaterialien getestet. Die Leistungs-MOSFET (AlFet) werden zwar alle auf Isolier-Keramikfolien mit Klemmfeder montiert. Aber diverse einzelne Transistoren auch mit Wärmeleitpaste.

MaterialDicke [mm]T_tr [°C]T_KK [°C] Rth [°C/W]
absolut
Rth [°Cm²/mW]
spezifisch
- ohne -6,1267.061.0 0,56  0,0001316
Arctic Silver 56,1461,760,7  0,093  1,093
Fischer Elektronik6,1264,162,4 0,16  0,0000376
Kerafol Pad6,3068,360,5 0,73  0,953
21,5 V 0,5 A ⇒ 10,75 W
 Transistor: TIP146, 235mm², Rth_jc=1
Rtha = Rths · d / A
d = [m] ; A = [m²]

Anm.: Temperaturdifferenzen ΔT sind hier maßgebend, absolute Temperaturen irrelevant.
Für die erste und dritte Wertezeile (Schichtdicke=0) gilt d = 1 = konst.
Es wurden ein Kupferblech 600×60×1,5 mm³, eine Mikrometer-Schraube und der oben genannte Transistor verwendet.
Arctic Silver wirkt zäh-schmatzend-geschmeidig und behält seine Schichtdicke unter relativ hohem Druck. Es fließt nicht und wird nicht an den Rändern heraus gedrückt. Jedenfalls nicht bei der bei diesem Test vorliegenden Schichtdicke von 0,02 mm. Hingegen normale weiße WLP mit Silikon-Öl verhält sich wie eine steife Creme und wird unter Druck weitgehend zu den Rändern heraus gepreßt, bis die höchsten Punkte aneinander stoßen − Metall auf Metall. Deshalb konnte auch keine Schichtdicke festgestellt werden:  6,12 − 6,12 = 0.

Die deutlich besten Eigenschaften hat Arctic Silver 5 gezeigt. Das bestätigt auch entsprechende Erfahrungen aus der Vergangenheit. Die Isolierfolie ist außer Konkurrenz, denn sie soll elektrisch isolieren und dabei dennoch befriedigend die Wärme ableiten. Deren Wärmewiderstand wird mit einem größeren Transistor-Gehäuse etwa so hoch sein wie der innere Widerstand im Transistor-Gehäuse (0,5).

Die oft gezeigten Verarbeitungsarten, die ein Plattdrücken eines runden Kleckses oder eines Stranges empfehlen, sind gänzlich ungeeignet (s.u.). Am besten geeignet ist es, eine möglichst dünne und gleichzeitig gleichmäßige Schicht Paste ganzflächig aufzutragen.

Verformbares Wärmeleitmaterial unter Druck kann dadurch seine Wärmeleitfähigkeit mehrfach verbessern! Je mehr Druck, desto geringer der Wärmewiderstand. Unter Druck standen nur Arctic Silver 5 und das keramische Pad. Die weiße WLP verlor ihren Druck, nachdem sie zu den Rändern heraus gepreßt war. Arctic Silver 5 kann ihre guten Werte der Eigenschaft verdanken, daß sie ihre Schichtdicke auch unter Druck beibehält. Das Fachwort dafür lautet Verdrückung.

Ein Auftragen durch Plattdrücken (s.o.) hat gewaltige Nachteile:

Es ist erstaunlich, daß Verarbeitungsmethoden empfohlen werden, die den effektiven Wärmewiderstand auf den 3-fachen Wert (!) bringen können, gegenüber einer optimalen Verarbeitungsmethode, und zudem eine schwer kontrollierbare Kleckserei und Schmiererei zur Folge haben können. Die mögliche Verschlechterung des Wärmewiderstandes ist derartig groß, daß viele gegebene gute Tipps mehr als aufgewogen werden. Eine von Herstellern beispielhaft genannte Schichtdicke ist 0,003 Zoll. Das ist 0,0762 mm. In der Wertetabelle ist jedoch eine mit anderer Methode problemlos erreichbare Schichtdicke von 0,02 mm eingetragen.

Ausstattung

Pegelsteller

Für jeden der drei Verstärker ist ein Pegelsteller vorhanden, der aus jeweils zwei 12-stufigen DIP-Schaltern besteht. Zwei Schalter, weil das Differenzsignal vom Vorverstärker (20 V) bis zum Differenzeingang der Brückenverstärker verläuft. Ein Brückenendverstärker hat eine Eingangsempfindlichkeit von 7 V. Ein Pegelsteller ist also erforderlich:

#Eingangs-
empfind-
lichkeit
[V]
Pegel
0 0,775 0 dBu
1 1,228 4 dBu
2 1,55  6 dBu
3 3,1 12 dBu
4 7,0 
5 20,0  0 dB
6 28,2 -3 dB
7 40,0 -6 dB
8 56,4 -9 dB
9 80,0 -12 dB
10 112,0 -15 dB
11 160,0 -18 dB
12 224,0 -21 dB

Die Spannungen entsprechen etwa der Clipping-Grenze. Bei Stufe 4 ist die Verstärkung des Pegelstellers 1. Die Grundstellung ist Stufe 5. Das Signal wird beginnend mit dieser Stufe gedämpft. Bei Stufe 0 ist kein DIP-Schalter geschlossen. Der Pegelsteller ist wegen notwendiger oder eventuell notwendig werdender Anpassung vorhanden. Stufen mit Dämpfung sind vorhanden, um einen hohen Sicherheitsabstand einstellen und auf dem Verbindungskabel hohe Pegel betreiben zu können. Hohe Pegel verbessern den Fremdspannungsabstand.

Vorverstärker

Alle Operationsverstärker werden mit einer Betriebsspannung von ±18 V versorgt. Deren Ausgangssignal kann daher problemlos ±14 V betragen, was einem Effektivwert von 10 V entspricht, wobei der Effektivwert eines Sinus-Signals gemeint ist.

Frequenzweichen

1.-13.Jan.2020

In den Vorverstärker werden 4 Frequenzweichen pro Stereo-Kanal eingebaut werden. Eine Weiche 1. Ordnung für die Anhebung des Sub-Baß und Weichen 8. Ordnung für Baß, Mitten und Höhen. Die Weiche für die Mitten besteht aus Tiefpaß und Hochpaß, je 8. Ordnung.
Als Konzept wurden gewählt: Filterart Bessel, MultipleFeedBack-Schaltung (MFB), die Kondensatoren sind PP-Typen mit beliebig großer Toleranz (preiswert), deren Exemplar-Kapazität mit großer Genauigkeit gemessen wird. Die Kapazitäts-Werte sind also gegeben, weiterhin die Verstärkung im Paßband, und die Widerstände werden errechnet. Die Schaltungs-Widerstände bestehen aus bis zu drei parallel geschalteten Widerständen mit 1% Toleranz. Diese maximal drei Widerstände werden von einem bish-Skript automatisch passend ausgewählt.
Die Lautstärkeeinstellung erfolgt nach den Weichen, vor den 6 Leitungstreibern. Die Weichen werden also hochpegelig betrieben, eventuell bis zu 10 Veff.

Es war nicht ganz einfach, eine zum Konzept passende Filter-Theorie nebst passender Koeffizienten-Tabellen zu finden, die ohne Fehler präsentiert sind.

Die Schaltungen des Vorverstärkers werden nicht mit Differenz-Ausgängen ausgestattet, mit Ausnahme der sechs Leitungstreiber ganz am Ende. Die Hauptgründe dafür sind der Umstand, daß keine externe Signal-Quelle einen Differenzausgang haben wird, und der immense Aufwand. Beispielsweise müßten die meisten frequenzbestimmenden Bauelemente der Frequenzweichen doppelt vorhanden und auch noch ganz genau (0,1%) gleich sein. Desweiteren würden merkbare Vorteile wohl nicht zutage treten. Allerdings werden XLR-Steckbuchsen auch an den Eingängen verwendet werden.

3.3 < 3.0475 3.3 < 2.8891 4.8529 < 3.3875 15.0 < 5.7696 22.0 < 20.032 Art=Bessel Pass=TP Ordnung=10 Frequenz=1e3 Verstärkung=2.0 1.5 1.2 1.2 1.5 : -6.48 C1=10e-9 10e-9 6.8e-9 2.2e-9 1.5e-9 C2=33e-9 33e-9 33e-9 33e-9 33e-9 C3=22e-9 22e-9 22e-9 22e-9 22e-9 R1= 2940.2 3224.7 3433.2 3641.2 7146.7 R2= 5880.5 4837.1 4119.9 4369.4 10720.0 R3= 3459.1 4044.9 6441.4 16441.0 7947.9 --------------------------------------------- Bessel : be Butterworth : bu Tiefpaß : tp Hochpaß : hp Ordnung : o1|o2| .. |o9|o10 Eck-Frequenz : f wert C1 setzen : c1 wert [[[[wert] wert] wert] wert] C2 setzen : c2 wert [[[[wert] wert] wert] wert] C3 setzen : c3 wert [[[[wert] wert] wert] wert] Verstärkung : v wert [[[[wert] wert] wert] wert] C## setzen : c{1..3}{1..5} wert V# setzen : v{1..5} wert Berechnung : B Schaltungen : h Beenden : E : _

Die Berechnung der Filter-Bauelemente erfolgt durch ein bish-Skript. Die vorstehenden 3 × 5 Widerstandswerte (R1 R2 R3) werden jeweils durch bis zu 3 parallel geschaltete Widerstände E24 1% Minimelf gebildet. Diese Parallelwerte werden ebenfalls durch ein bish-Skript bestimmt:

Beenden : E : 4119.9 685 : 4119.9 : 4122.72291 = 4300 | 100000 1418 : 4119.9 : 4114.05836 = 4700 | 33000 2052 : 4119.9 : 4111.44578 = 7500 | 9100 86 : 4119.9 : 4119.54766 = 5100 | 30000 | 75000 86 : 4119.9 : 4119.54766 = 5100 | 24000 | 200000 97 : 4119.9 : 4119.49926 = 4300 | 110000 | 910000 116 : 4119.9 : 4119.42223 = 5100 | 22000 | 820000 142 : 4119.9 : 4119.31422 = 6200 | 13000 | 220000 148 : 4119.9 : 4120.50944 = 4700 | 43000 | 150000 165 : 4119.9 : 4120.57916 = 5600 | 16000 | 620000 194 : 4119.9 : 4120.70047 = 4300 | 120000 | 560000 218 : 4119.9 : 4120.79883 = 4700 | 36000 | 470000 253 : 4119.9 : 4120.94357 = 6200 | 15000 | 68000 269 : 4119.9 : 4121.00678 = 4300 | 180000 | 220000 372 : 4119.9 : 4118.36935 = 4300 | 130000 | 390000 Startwert=10.0 Endwert=1e6 Reihe=E24 : e# (e6 e12 e24 e48 e96) Zeilen=12 : z # Toleranz=0.3 : t # Zielwert : zahl (123 12.3 12e3 ...) Beenden : E : _

Oben ist der Wert 4119,9 Ω zu sehen, für dessen Realisierung eine große Anzahl von Parallel-Schaltungen angeboten werden. Es kann so vermieden werden, daß bestimmte Widerstandswerte gehäuft verwendet werden müssen. Es sind genügend Widerstände von 10 Ω bis 1 MΩ vorhanden. Links ist jeweils die Abweichung vom Sollwert in ppm angegeben.

Die Filterschaltungen mit MFB (MultipleFeedBack) haben gegenüber den Sallen-Key-Schaltungen mehrere Vorteile - sie sind qualitativ wesentlich besser, bringen aber auch Unbequemlichkeiten mit. MFB soll gewählt werden bei höheren Verstärkungen und höherer Güte Q. Sallen-Key fällt beim Frequenzgang im Sperrbereich auf etwa -65 dB und steigt bei höheren Frequenzen wieder hoch auf etwa -25 dB. MFS hingegen fällt auf mindestens -100 dB und steigt erst bei wesentlich höheren Frequenzen auf etwa -50 dB, und ist damit beträchtlich besser als Sallen-Key. Bei MFB sind auch Verstärkungen unter 1 einstellbar. Unbequem ist bei MFB, daß beim Hochpaß die Verstärkung im Paßband durch das Verhältnis zweier Kondensatoren bestimmt wird. Jede MFB-Schaltung invertiert das Signal.

Filter-Diagramm 10. Ordnung • Bessel • 200 Hz
Das vorstehende Bild beweist, daß Mathematik und Schaltung korrekt sind. Tiefpaß und Hochpaß passen zusammen und haben im Sperrbereich -60 dB pro Oktave. Fünf invertierende Schaltungen hintereinander ergeben eine Invertierung, eine Phasenverschiebung um 180°. Das Filter für Mittelton hat 10 Schaltungen hintereinander, also keine Invertierung. Notwendige gezielte Invertierungen können an abschließenden Differenz-Leitungstreibern vorgenommen werden.
Die Welligkeit in der Summenkurve beträgt etwa 2 dB und spielt keine Rolle, da Lautsprecher-Chassis viel stärkere Auf und Ab in ihrem Frequenzgang enthalten. Außerdem kommen die Wirkungen von Box und Raumakustik hinzu. Es ist wahrscheinlich, daß die Pegel aller Weichen unterschiedlich eingestellt werden müssen, um an die unterschiedliche Effizienz der Chassis anzupassen. Dies kann am Vorverstärker vorne geschehen, wie auch an den einzelnen Endstufen der Dreifach-Endstufen hinten. Filter nach Linkwitz-Riley müssen hier nicht verwendet werden.
Die Eckfrequenz der Filter beträgt 200 Hz. Bei 700 Hz, die noch im Bereich des Tieftöners liegen, ist der Spannungs-Pegel auf etwa -47 dB (1⁄224) abgesunken. Der Tief-Mitteltöner kann herab bis 32 Hz (-92 dB; 1⁄39811). Diese Eckfrequenz ist also gut gewählt. Der Tief-Mitteltöner (200 Hz - 2000 Hz) wird weitab von seiner Resonanzfrequenz betrieben und mit wesentlich weniger Leistung beaufschlagt. Es wird sichtbar, daß die hohe Ordnung von 10 kaum übertrieben ist. Ordnung 8 wäre aber ausreichend.
Hinter den Filtern sind Abschwächer und Leitungstreiber angeordnet. Die Filter werden mit 10 Veff betrieben. Das sind ±14 V. Die Leitungstreiber treiben mit 20 Veff = 56 Vpp. Das erhöht den Fremdspannungsabstand und verringert den Klirrfaktor um einen Divisor von mehreren Hundert!

Filter-Diagramm 8. Ordnung • Bessel • 200 Hz • 2000 Hz
Ganz oben sind Links zu allen Lautsprecher-Datenblättern angegeben. Hier nochmals zum Tief-Mitteltöner. Bei Lautsprechern für tiefe Frequenzen ist erkennbar, daß beginnend von 100 Hz bis 20 Hz der Pegel ziemlich gleichmäßig um etwa 10 dB .. 20 dB absinkt. Das ist charakteristisch. Mitteltöner und Hochtöner werden per Frequenzweiche nach diesem Abfallbereich eingesetzt. Bei diesem Projekt ab 200 Hz und ab 2000 Hz. Bei Tieftönern jedoch muß der Abfallbereich voll hineingenommen werden. Aus diesem Grund wurde ein Subbaß-Filter 1. Ordnung mit dem Tiefpaß 8. Ordnung kombiniert. Zugehörig ist die grüne Kurve V(sb). Die hellblaue Kurve zeigt den Bandpaß für Mittelton 200 Hz .. 2000 Hz, der aus einem Tiefpaß 2000 und einem nachfolgenden Hochpaß 200 besteht. Der Hochpaß 2000 für den Hochtöner ist hier nicht gezeigt.

Es ist kaum zu verstehen, daß HighEnd-Lautsprecher regelmäßig sehr teure und sehr schwere passive Frequenzweichen aus R,L,C vor den Lautsprecher-Chassis verwenden. Das widerspricht vollkommen den Gedanken zu High End. Das diesem Projekt zugrunde liegende Konzept wird offenbar woanders kaum verfolgt. Es ist das Konzept eines Aktiven Tri-Amping. Im vorliegenden Leistungsbereich können keine Endstufen in eine Lautsprecherbox integriert werden. Deshalb müssen diese neben der Box stehen.

Potentiometer

18.Jan.2020

Zu Anfang waren 4 Stereo-Potis und 1 Einzel-Poti geplant, für Lautstärke, Balance, Baß, Mitten, Höhen. Das Poti für Lautstärke sollte besonders hochwertig sein, mit einer Lebensdauer von mindestens 1 Million Rotationen. Es stellte sich heraus, daß die Lautstärken nach den Frequenzweichen eingestellt werden sollten, also vor den Ausgangs-Leitungstreibern. Das hatte zur Folge, daß das Poti für die Lautstärke ein 6-fach-Poti (2 × Baß+Mitten+Höhen) sein muß, daß also die 6 Drehachsen rotationell mechanisch parallel geschaltet werden müssen. Das wiederum ergibt eine Baulänge von etwa 25 cm netto, was sehr unbequem ist.

Operationsverstärker in Audio-Anwendung vermindern ihren Klirrfaktor mit der Höhe ihrer Ausgangs-Amplitude. Diese beiden Größen sind also umgekehrt proportional. Der Klirrfaktor kann dadurch durchaus 500-fach besser sein! Beispiel: 0,01 V ⇒ 0,005% ◊ 10 V ⇒ 0,000006%. Außerdem sinkt der Fremdspannungsabstand durch große Amplituden des Nutzsignals.
Dies ist der Grund für die neue Position der Lautstärken-Potis im Signalpfad. Die Frequenzweichen werden also mit Maximalsignal ±14 V betrieben. Das Signal der Ausgangs-Leitungstreiber ist angestrebt doppelt so hoch. Dadurch ist der Fremdspannungsabstand auf den Verbindungskabeln zu den Endstufen (18 m max.) ebenfalls sehr hoch. Ungeachtet der übertragenen Differenzspannung, die prinzipiell ohnehin kaum störbar ist.

Das Konzept mit natürlichen Potentiometern wurde wegen der Notwendigkeit eines mechanischen 6-fach-Potis fallen gelassen. Verwandte Alternativlösungen sind ultra-teuer und dennoch schwer zu handhaben. Es wird die Entwicklung von Einstellelementen mit durch Reedrelais geschalteten Widerständen begonnen, die von Drehimpulsgebern angetrieben werden. Das hat massive Vorteile:

Die Drehgeber zählen jeweils einen Binärzähler mit 6 Bit hoch oder herab, bei Rechts- oder Linksdrehung. Ein solcher Binärzähler hat eine Auflösung von 64 Stufen. Die Drehgeber geben 24 Impulse pro Umdrehung. Es ergeben sich knapp 3 Umdrehungen eines Drehgebers für die 64 Stufen. Ein Einstellelement hat in 1-fach-Ausführung 2 × 6 oder 1 × 6 Relais. Es werden die beiden Hälften (vor und nach dem Schleifer) eines Leitschicht-Potis simuliert, oder nur eine Hälfte. Die Zähler werden beim Start initialisiert, z.B. auf 000000. Innerhalb einer Hälfte kann keine unterschiedliche Sprungweite des Widerstandswertes mit vernünftiger Wirkung realisiert werden. Bitkombinationen wiederholen sich nämlich während einer Zählrichtung. Aber eine oder beide Hälften können eine abweichende/unterschiedliche Steilheit in der Wertentwicklung haben.
0000 5000 Prinzipdarstellung 0000 5000 0001 4999 zweier Hälften 0003 4999 0002 4998 0006 4998 ↓ ↓ 4999 0001 14997 0001 5000 0000 15000 0000
Es sind 3:8-Decoder erhältlich, die ein Wort aus 3 Bits zu einem aktiven von 8 Ausgängen umsetzen. Diese sind kaskadierbar. Damit kann ein Einstellelement aufgebaut werden, das entsprechend viel mehr Relais hat und vollkommen frei festlegbare geschaltete Widerstände aufweist, wobei immer nur 1 Relais pro Hälfte geschaltet hat. Hier bräuchte man jedoch 2 × 64 Relais für 64 Stufen.


Das vorstehende Diagramm zeigt, wie die Widerstände der einen Poti-Hälfte einheitlich einen anderen Wert zugeteilt bekamen als die der anderen Hälfte. Bei der Geraden in der Mitte sind die Hälften wertgleich. Die untere Kurve entspricht gut angenähert einem logarithmischen Poti. Dies ist nicht die einzige Möglichkeit, gebogene Kurven herzustellen.
Eigentlich ist diese Kurve hier besser als der Kurvenverlauf bei realen logarithmischen Leitschicht-Potis, denn diese haben nur drei verschiedene Steilheiten, mit abrupten Sprüngen dazwischen.

Die Signalquellen werden möglichst einheitlich auf ±14 V verstärkt. Natürlich sind für jede Quelle Pegelsteller erforderlich, erreichbar auf der Rückplatte des Gerätes. Diese werden wohl als (doppelte) DIP-Schalter ausgeführt, wie bei den Endstufen.



Copyright © 2016-2020 Helmut Schellong

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