Wir blicken erstmal auf unseren Hifi-Bereich .....

..... und hier tut sich eine wesentliche Frage auf :

Wo ist die Vernunft gefragt und wo fängt Voodoo an . . .

: 2 x 22.000 Microfarad im E210

Es geht um die Netzteilfrage bei Tunern, Vorverstärkern, Kraftverstärkern, CD-Spielern, Bandmaschinen und vielleicht noch D/A Wandlern und anderem Zubehör.

In dem Bereich Netzteile wird viel dummes und teures "Zeug" propagiert (Beweise kommen noch), das sich nach genauerem Durchleuchten als überzogen oder überkandidelt oder als reiner Voodoo Zauber herausstellt.
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Und wir sprechen hier nur vom technischen Ergebnis, nicht von der Psyche des Käufers bzw. des Kunden . . .

: Viele aufwendige Netzteile in einem SONY CD Player !!

Was soll ein Netzteil in der Audio Elektronik machen bzw. "können" ? Es soll einmal eine bestimmte Spannung stabil und dauerhaft liefern und zum Zweiten dabei möglichst wenig an Störungen oder Fremdsignalen anliefern oder ausstrahlen. Das ist eigentlich alles.

Es muß weder gut ausehen, noch muß es besonders groß oder besonders klein sein und verchromt oder vergoldet braucht es auch nicht zu sein. Auch eine gläserne Abdeckung hat mit der Funktion eines Netzteiles überhaupt nichts zu tun. Selbst über die Effizienz, also die eventuell vermeidbaren Wärmeverluste wollen wir erst mal gar nicht reden.
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: Ein CISCO Netzteil für 3500 Dollar

Wo (in welcher Fakultät) kann man diese Grundsätze am Besten lernen ?

Natürlich bei den Computer-Leuten, den EDV-Spezialisten, die haben nämlich sehr ähnliche Probleme, aber in ganz anderen (und erheblich teureren) Größenordnungen - sprich Dimensionen.

Die Computer sind gegen Instabilitäten oder sogenannte Schmutz- effekte von außen extrem anfällig und verzeihen nicht mal kleinste Fehler, und erst recht auch keine Ausnahmen. Und solche Netzteile kosten richtiges Geld, oft deutlich mehr als die meisten unserer kompletten Audio-Verstärker.

Bei großen professionellen Computernetzteilen zählen nur die festen Spannungen und deren Stabilität. Und da gibt es Randbedingungen, die bei normalen Verstärkern so noch nicht auftreten.
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Betrachten wir die an die Netzteile angehängten Lasten :
Last-Type 1

: Grundig XV5000 Netzteil Schaltung

: mit "Class A" Ausgangsverstärker

Die Last-Type 1 ist die Elektronik des typischen analogen Audio- "Vor"-Verstärkers. Dort wird (bis auf wenige Ausnahmen) sowieso nur wenig Leistung benötigt und die Strom-Schwankungen sind minimal.

Dagegen sind die Anforderungen an die "Reinheit der Spannungsquelle" enorm. Kleinste Störungen (Störstrahlungen und sonstige elektrische Schmutzefekte) von außen haben fatale Folgen. Denken Sie an die sehr hohen Verstärkungsfaktoren von Moving-Coil Vor-vor-verstärkern. Jeder Netz-Spratzer des abgeschalteten Staubsaugers oder der Küchenmaschine würde riesen Schläge oder "Knacker" in den Basschassis bewirken.

Selbst bei edlen Vorverstärkern mit stromfressenden "Class A" Ausgangsverstärkern (sogar Grundig hatte mal solche Edelteile gebaut) sind die Stromschwankungen (im Vergleich zu normalen analogen Leistungs-Endstufen) marginal.
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Komplizierter wird es, wenn in den moderneren Geräten bereits digitale Prozessoren eingesetzt werden, die anderen Regeln gehorchen - siehe Typ 3 Lasten weiter unten. Dann braucht man zwei oder mehrere Netzteile sehr unterschiedlicher Art.
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Last-Type 2

: BOSE 1801 Endstufe

: CROWN DC300A

: Accuphase E210

Die Last-Type 2 ist die Elektronik des typischen Audio-Leistungsverstärkers samt dem (den) angehängten Lautsprecher(n). Hier reicht eine stabilisierte Spannung nicht aus. Sie muß sogar gar nicht stabilsiert sein, sie kann. Wichtiger ist der lieferbare Strom zu jeder Zeit und sogar als Impulsspitze(n) kurz hintereinander.

Dazu muß man wissen, daß ein Netztransformator mit einem Gleichrichter und mit minimalen Speicherkondensatoren oft nur die erste Impulsspitze an die Boxen liefern kann. Dann ist der Kondensator leer und muß wieder gefüllt werden und dazwischen sackt die Spannung erst mal ab.

Also müsste man richtig große (dicke) Kondensatoren bereitstellen, die mehr Reserven haben als nur solche für diesen einen Impuls. Es ist daher eine Frage der gespeicherten Energie und des "Nachladens" dieser Netzteil-Kondensatoren.

Auch wichtig ist bei dieser Art von kombinierter variabler Last, also Verstärker und Lautsprecher, daß die geforderten Impuls-Reserven alle nur bis maximal 50 oder 100 Kilohertz "schnell" sind. Sie sind nämlich alle sinusförmig. Die Bass-Impulse sind bezüglich der Frequenz sogar deutlich niedriger. Die Geschwindigkeiten, mit der die Netzteilkondensatoren ihre gespeicherte Energie an die Endstufe liefern müssen, sind damit vielleicht im Kilohertz-Bereich.
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: EDV Netzteil 5V - 120A

Last-Type 3

Die Last-Type 3 ist der typische digitale Prozessor, also eine oder mehrere CPU(s) oder ein ASIC oder ein beliebiger digitaler Chip mit einer eingebauten kleinen CPU. Das kann jetzt auch eine moderne Digitalendstufe sein.

Und diese Art der Last ist in jeglicher Hinsicht extrem. Digitale Schaltungen modernerer Struktur verbrauchen nur dann Strom, wenn sie arbeiten. Im Ruhe- oder Schlafzustand ist der Stromverbrauch marginal - siehe Notebook-Prozessoren und Notebook-Grafkeinheiten. Doch das ist nicht das Problem, das haben andere "Lasten" auch.

Das absolut schlagartige Einsetzen des digitalen Stromflusses von fast Nichts auf 80 oder 100% geschieht in einer so extrem kurzen Zeit, daß das Netzteil einen Schluckauf bekommt, wenn es dazu nicht ausgelegt - sprich konzipiert ist.

Wichtig ist hierbei, es spielt keine Rolle, ob der Strom von 0 auf 10 Ampere steigt oder von 0 auf 100 Ampere, die elektronische Schaltung und die ganze Technik muß der jeweiligen Maximallast angepaßt sein.

Auch das extreme schlagartige Abschalten des Strom-Verbrauchs verlangt viel von solch einem Netzteil. Bei dieser Art von extrem schnellen "Lastwechseln" darf sich ja die Spannung um kein Prozent verändern, vor allem nicht nach dem abrupten Abschalten der Last. Gefährlich sind nämlich die Überspannungen bei den sogenannten Überschwingern.
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Wieder der Vergleich mit der Audiotechnik

Und jetzt sind wir wieder bei der analogen Audio-Technik. Erinnern Sie sich an die ersten Messungen von Verstärkern etwa 1970 (und danach) mit diesen beinahe quadratischen Rechecksignalen. Um die maximale Bandbreite des Verstärkers zu messen, hat man ihn nicht (oder nicht nur) mit einer fließenden Variation von Sinussignalen gefüttert, nein, es waren Rechtecksignale, die eingespeist wurden. (sehr oft auch nur drei Frequenzen 100Hz, 1kHz und 5kHz - nacheinander natürlich)

Der Hintergrund war und ist : bei einem (idealen) Rechtecksignal von 1 Kilohertz kommen während der Anstiegsflanke Freqenzen von bis zu 100 Megahertz vor. So extrem schnell steigt der Wert von 0 auf den vollen Wert - jedenfalls im Signal-Generator (und natürlich in der Theorie).

Doch die Messergebnisse - selbst von hochwertigen Verstärkern aller Hersteller - waren sehr oft ernüchternd, die konnten das ja gar nicht. Die sogenannte Anstiegsflanke war oft eine ganz krumme Gurke, weil der Verstärker bzw. die Schaltung schon ab 20 (Kilo-) Hz schwächelte.
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Zurück zur Digitaltechnik :

: damals eine hochmoderne 2-Kern CPU

Bei der Digitaltechnik gibt es aber weder Nachsicht noch Toleranz, sonst funktioniert diese Technik nicht.

Ein 3,2 Gigahertz 4-Kern Prozessor (z.B. Intel i5) wird abrupt hochgetaktet und muss sofort den vollen Strom saugen "können" und zwar ohne "Wenn und Aber".

Und diese großen professionellen Netzteile sollen das bei 5V bis zu 150 Ampere (oder noch mehr) aushalten und dann auch noch beliebig oft und ohne Fehler.
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Betrachten wir die technische Funktion eines Netzteils

: (1) Aus dem Wechselstrom (sorry : aus der Spannung)

: (2) macht diese Schaltung

: (3) durch "Hochklappen" einer Halb-Welle

: (4) diesen pulsierenden Gleichstrom (sorry : die Spannung)

: (5) die wir noch sieben/glätten müssen

: (6) Und das ist unser Ziel - eine "saubere" Gleichspannung ohne Hütchen oder Ripple

Beim Trafonetzteil und auch bei vielen Schaltnetzteilen wird eine sinusförmige Wechsel-Spannung mit Hilfe eines Gleichrichters in eine Gleich-Spannung umgeformt.

Mit einem Oszillosscope kann man sich diesen Vorgang bildlich ansehen. - Sinnbildlich haben wir die untere Halbwelle der geschwungenen Sinuswelle (erstes Bild) durch die Gleichrichtung einfach nur über die 0 Volt Linie nach oben "hoch" geklappt. (drittes Bild)

Direkt hinter dem Gleichrichter sehen wir auf dem Oszilloscope nun eine unendliche Reihe von aneinander gereihten oberen Hälften der (ehemaligen) Sinuswelle. (viertes Bild)

Mit einem sogenannten Glättungskondensator geht die Spannung nach jeder Halbwelle aber nicht mehr auf 0 Volt runter, sondern sie nimmt etwas (in diese Richtung hin) ab - und zwar je nach Belastung mehr oder weniger steil. (fünftes Bild)

Am Ende, wenn die Kondensatoren groß genug sind, kommt eine "optisch sichtbar saubere" Gleichspannung aus dem Netzteil (Bild 6).

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Das Ganze ist sogar frequenzunabhängig

Das bedeutet, ob wir uns in 50 Hz Ländern Europas oder in 60Hz Ländern wie den USA befinden oder gar im Flugzeug mit dort 400 Hz, das Prinzip der Gleichrichtung und der Glättung ist das Gleiche.

Auch bei den Schaltnetzteilen, die bis über 20 Kilohertz getaktet sind, ist das Prinzip immer noch gleich. Nur die elektrischen Größen der Kondensatoren sind dann anders.
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Betrachten wir jetzt das Beispiel-Netzteil eines Vorverstärkers - die Last-Type 1

Der Trafo liefert eine Wechselspannung von 24 Volt (AC = alternate current = wechselnder Strom).

Der (Zweiwege-) Gleichrichter macht daraus eine buckelige pulsierende Gleichspannung mit einer Scheitelhöhe von (24 x 1,414) = 34 Volt (DC = direct current). Mit dieser buckeligen Spannung kann aber niemand etwas anfangen, außer bei Glühlampen und im Warmwasser- Durchlauferhitzer vielleicht.

Diese Spannung muß erst mal geglättet werden. Mit Hilfe eines sogenannten Sieb- oder auch Ladekondensators wird eine etwas niedrigere leidlich stabile Gleichspannung erzeugt, die auf dem Oszilloscope als beinahe waagrechte Linie zu sehen ist.

Doch das täuscht. Diese Linie ist auch nicht gerade, sie ist einem (abfallenden) Sägezahn ähnlich. Wenn man den Maßstab deutlich vergrößert oder wenn man eine Last an diese Quelle dran hängt, wird es besonders deutlich. Man spricht auch von der Restwelligkeit oder der Brumm-Komponente, da es sich (bei uns in Europa) meist um ein 50Hz Netzbrummen handeln würde.
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Der Trick, die gewünschte Spannung deutlich reduzieren . . .

Wenn ich also mit meiner sauberen Versorgungsspannung auf der ganz sicheren Seite stehen möchte, plaziere ich hinter dieser "Trafo- Gleichrichter- Kondensator- Kette" einen elektronischen Regler, der die Spannung auf ein deutlich niedrigeres Niveau begrenzt = herunter regelt.
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Und jetzt fangen die Feinheiten an. Die ersten integrierten analogen Spannungsregler von 1974 hatten Macken. Sie neigten zum Schwingen mit Frequenzen im 100 Kilohertz Bereich und benötigten weitere externe Entstörkondensatoren.

Ab etwa 1990 hatte man das dann technologisch im Griff und benötigte nur noch diesen IC. Moderne digitale integrierte Schaltregler sehen optisch genauso aus wie die älteren analogen Spannungsregler und neigen bei großen und auch kleinen Laständerungen zum Pumpen, sind also auch nicht (= immer noch nicht) geeignet.
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Die Frage stellt sich: Wieviel Reserven plane ich ein ?

Doch wieviele Reserven plane ich in das Vorverstärker-Netzteil ein ? Nehmen wir an, meine (Vorverstärker-) Schaltung benötigt 24 Volt DC und etwa 1 Ampere Strom, also ca. 24 Watt, wie groß muß oder sollte der Netztrafo (leistungsmäßig) sein ? Reicht ein 50 Watt Trafo oder nimmt man einen 100 Watt Trafo oder einen 200 Watt Boliden ?

Relevant ist dann auch die Spannungsdiffrenz von der angelieferten - immer noch ganz leicht verbrummten Gleichspannung bis zur reinen absolut glatten sauberen (perfekten) Versorgungsspannung. Reichen da 20 % Reserve (also etwa 5 Volt zusätzlich) oder müssen es 100 % Reserve (das wären dann 24+24=48 Volt) sein?

Betrachten wir den 100% Fall, dann müsste die Gleichrichterschaltung 48 Volt DC anliefern, wobei ich nur 24 Volt haben möchte und die übrigen 24 Volt in der analogen Regelung verbraten muß. Dann wird der 50 Watt Trafo bereits sehr eng und dann brauche ich mindestens den 100 Watt Trafo und muß dazu noch etwa 25 Watt an Wärme abführen.
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Zusatzmaßnahmen sind ebenfalls erforderlich

Auf der Suche nach der perfekten reinen Gleichspannung für meinen Vorverstärker muß ich also die Spannungs-Erzeugung optimieren wie auch eventuelle Einstreuungen aller Art von außen abblocken bzw. ausfiltern. Einen Teil der Schmutzeffekte aus dem 230V Haus-Netz kann ich sogar vor dem Trafo und dann wieder nach dem Gleichrichter mit entsprechenden Spulen (auch Drosseln genannt) wegfiltern.

Hochfrequenzeinstreuungen von Handys und anderen Störeren sind aufwendig zu filtern und kommen ganz am Ende der Kette direkt vor dem Verbraucher, dem Vorverstärker zum Einsatz. Beim Vorverstärker mit den extrem geringen Stromänderungen (Lastwechseln) brauche ich mir zumindest um die Leitungsquerschnitte und Übergangswiderstände keine großen Gedanken zu machen. Ganz anders ist es beim Kraft- oder Leistungsverstärker.
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Betrachten wir jetzt das Beispiel-Netzteil eines analogen Leistungsverstärkers - die Last-Type 2

: Yamaha 5-Kanal Endstufe

Hier sind die Anforderungen deutlich anders. Zu allererst ist der Audio- Eingangspegel (vom Vorverstärker ankommend) deutlich höher (bei Nennausgangsleistung etwa 1,0 bis 1,5 Volt RMS) und der Gesamtverstärkungsfaktor ist deutlich geringer als bei den Vorverstärkern.

Dafür sind aber die Lastwechsel des Ausgangsstroms, bedingt durch die Musikimpulse teilweise extrem. Das Netzteil muß also über ganz andere Eigenschaften verfügen. Es muß Strom liefern, und es muß (sollte) bis zu seinem sogenannten Nennstrom die gewünschte Spannung weitgehend konstant halten.
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Natürlich darf das Netzteil bzw. der Netztrafo im Leerlauf keine zu hohen Leerlaufspanungen liefern, damit die Leistungs-Elektronik nicht doch Schaden nimmt. Die Endtransistoren sind allermeist für eine bestimmte Grenzspannung spezifiziert. Wird diese Grenzspannung überschritten, macht es nur noch "Zisch" oder "Peng" und das wars dann und es wird dann richtig teuer.

Die 3 oder 5 oder 7 Endstufen der aktven CANTON CA15/20/30 Boxen haben richtig dicke Spannungsregler vor die Endstufen gesetzt bekommen, damit die Spannung dort immer gleich hoch und dabei stabil bleibt.
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Die theoretisch verfügbare Ausgangsleistung wird über die Spannnung(en) des Netzteils bestimmt.

Da inzwischen die allermeisten Hersteller die Ausgangsleistung auf eine Nennimpedanz der möglichen Lautsprecher von 8 Ohm berechnen, kann man aus der Netzteilspannung in etwa auf die vefügbare Nenn-Leistung des Verstärkers schließen.

Doch das klappt nicht immer. Einige Konzepte liefern (vordergründig unlogisch) bei 4 Ohm deutlich weniger Leistung als bei 8 oder gar 16 Ohm. Andere Schaltungs-Konzepte liefern bei 4 Ohm die doppelte Leistung und bei 2 Ohm nochmal die doppelte Leistung. Der BOSE 1800 Verstärker ist solch ein Muster-Exemplar. Auch der CROWN DC3000A macht das so ähnlich.

Bei dem BOSE 1800 Verstärker ist daher ein 2 Kilowatt Trafo verbaut, damit er auf jeden Fall die 2 x 400 Watt an 8 Ohm und die 2 x 800 Watt an 4 Ohm Dauerleistung auch liefern kann. Und das kann er, bis die Sicherung raus fliegt, das haben wir vielfach ausprobiert.
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Es gibt also Netzteile, die ±30Volt Gleichspannung liefern und auch solche, die ±60Volt liefern.
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Die "volle" Leistung zum Lautsprecher bringen

Mindestens die Nennleistung sollte bis zum Lautsprecher durchgereicht werden. Das bedeutet, daß die Kabel- und oder Leiterbahn-Querschnitte im Verstärker darauf ausgelegt sein müss(t)en. Doch das reicht nicht ganz, denn die Impulsspitzen sollen ja auch ankommen. Und daher sind die Zuleitungen von den Netzteil-Kondensatoren zur Leistungsendstufe und die Ableitungen zu den Lautsprecherklemmen doch von großer Wichtigkeit. Die Frage ist nur, wie wichtig ?

Auf der Seite mit den BOSE 901/Serie IV Boxen habe ich mal Musterrechnungen aufgemacht, wieviel Sinn es macht, zum Beispiel die innere (scheinbar schmächtige) Verkabelung solch einer Box mit nahezu 500 Watt Belastbarkeit "aufzumotzen". Es macht dort zum Beispiel keinen Sinn.

Auch beim Verstärker-Innenleben sprechen wir über wenige cm Leitungslängen im Vergleich zu der langen Lautsprecherleitung. Dennoch sollte der Innenwiderstand des Verstärkers so klein wie möglich sein. Das bedeutet aber nicht, daß dort dicke massive Kupferschienen verlegt werden müssen. Das ist dann der Bereich Voodoo, der übers Ziel hinaus schießt.

Oftmals vernachlässigt sind die Klemen-Übergangswiderstände am Verstärker und an den Boxen, die man so einfach nicht messen kann. Bei den Schraubklemmen - selbst für 10 quadrat Kabel - gibt es nämlich den Spruch, "Nach fest kommt ab"!.

Darum werfen Sie einen Blick in die alten Yamaha Verstärker und Receiver. Dort sehen Sie moderate Stromschienen, die ein hervorrragendes Ergebnis bei 2 x 70 Watt Nennleistung erzielen. Es geht also auch ohne übertriebens Voodoo.
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: Das Innenleben eines YAMAHA Receivers mit sehr guten Eigenschaften

Diese Seite ist noch in Arbeit und erst "fast" fertig .....

Vorbemerkung : Sie finden hier im Hifi-Museum sehr viele Beispiele mit gelungenen bzw. guten Konstruktionen und auch einige mit miserablen Konstruktionen. Wenn wieder mehr Zeit da ist, kommen hier die Links auf die Seiten.