Hier kommt ein Anwendnungsbeispiel aus dem Sommer 2022
- Ganz links im Bild sehen Sie die scharze Zuleitung aus dem Netzteil, die ist aber völlig unzureichend.
Juni 2022 - Seit langem wollen wir unseren Low- Cost Digital-Verstärker mit einem möglichst effizienten stromsparenden Netzteil für den Dauer- gebrauch mit Hintergrund-Musik bzw. mit leiser "Unterhaltungs-Dudelei" komplettieren.
Ausprobiert hatte ich diesen Digital-Verstärker bereits vor vielen vielen Monaten. Die Audio-Qualität ist ganz erstaunlich gut. Mit einem RASPI samt zusätzlichem Huckepack- A/D-Wandler klingt das richtig nach Hifi aus den oberen Sphären.
Ganz sicher kann man mit 2 x 30 Watt (an 8 Ohm) und "normalen" Boxen keine (akustischen) Bäume ausreißen. Doch zum nächtlichen Arbeiten in der Redaktion ist er fast schon zu gut.
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Es gibt da noch ein paar Randbedingungen :
- TPA 3116 D2 - 3 x 30 Watt Sinus an 8 Ohm
- Wir haben eigene - dickere - Stromzuleitungen angelötet
Auf der (chinesischen) Platine des Verstärkers werkelt ein Digitalchip von Texas Instruments vom Typ TPA3116D2. Der normale Versorgungs- Spannungsbereich geht von ca. 4,5 bis max. 26 Volt= (DC) und der Verstärker soll bei 24 Volt DC echte 2 x 30 Watt an 8 Ohm (oder sogar 2 x 50 Watt an 4 Ohm) liefern - mit wie gesagt erstaunlicher Qualität. Dazu sollte das Netzteil 24V mit mindestens 3 Ampere liefern können. Da wären dann etwa 70 Watt verfügbar - für beide Kanäle.
Die absolute Grenzspannung Vcc, ab der der Chip evtl. durchknallt, sei 30 Volt DC (Gleichspannung), sagt die Spezifikationen.
Und das ist mein Problem.
Ein Schaltnetzteil wäre natürlich ideal. Doch in einem 24 Volt Schalt- netzteil kommen Spannungen von weit über 300 Volt vor. Das ist mir (im Hobby Bereich) zu unsicher, zu gefährlich. Meine verfügbaren Profi-Trafos mit über 3 Ampere bei 24 Volt AC (Wechselspannung) liefern aber alle im Leerlauf deutlich höhere Gleichspannungen. Die könnten damit den Chip abschiessen. Ich muß also dafür Sorge tragen, daß sowohl im Leerlauf als auch unter Last stabile (maximale) 24 Volt DC aus dem Netzteil kommen. Die 30 Watt Impuls-Spitzen dürfen bei einem Digitalverstärker sowieso nicht überschritten werden, der Sound verzerrt sofort gräuselich.
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Ein digitales oder analoges Netzteil für einen Digital-Verstärker ?
- Industrie-Trafo - 22V~ / 8A
- Ringkern-Trafo - 22V~ / 5A
- Schnittbandkern-Trafo- 26V~ / 3,7A
- Schaltnetzteil mit 24V= bis 5A
- Eine grenzwertige Leerlaufspannung
Diese Frage stellt man sich und recherchiert, welchen Aufwand man treiben muß, um nicht die Qualitäten des Digitalverstärkers auszubremsen. Der Ingenieur weiß aus Erfahrung, ein einfaches analoges Netzteil liefert keine konstante Gleichspannung und bedarf aber auch keiner hohen Schaltfrequenz von 180 Kilohertz bis in den Megahertz Bereich hinein. Weiterhin ist die Verlustleistung (des analogen Trafo-Netzteiles) um einiges höher, wenn man die Spannung an der Last (mit einer Längsregelung) auf 24V DC stabilisieren (begrenzen) muß - wie in unserem Fall.
Ein Schaltnetzteil liefert (fast) immer (bis zur Nennleistung) eine konstante Ausgagngsspannung mit deutlich geringeren Verlusten, hat dafür aber recht hohe Spannungen auf seiner Platine. Deshalb müssten hier ganz andere viel aufwendigere Schutz- bzw. Vorsichtsmaßnahmen getroffen werden.
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Wir präferieren ein Trafonetzteil
Unsere erste Trafo-Variante wird daher mit einem analogen Netzteil realisiert, also mit einem Trafo und einem analogen 24V DC Regler (Bausatz) und das Netzteil wird ausführlich ausgemessen.
Eine weitere Forderung ist sinnigerweise ein möglichst geringer Leerlauf-Verbrauch des gesamten Verstärkers (samt Netzteil), der auf jeden Fall deutlich geringer sein muß als die 30 bis 50 Watt eines analogen Hifi-Vollverstärkers.
Die Suche nach einem 24 Volt Festspannungs-Regler IC war negativ, weil es diese ICs nur bis 1,5 Ampere gibt und das ist für unsere Zwecke zu wenig Strom.
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Die Trafo-Variante bekommt später alternativ auch einen digitalen Spannungswandler als Regler. Diese sogenannten Step-Down Regler mit sehr effizienten digitalen ICs sind bestellt und kommen danach dran.
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Unser "Nein" zu einem Schaltnetzteil
Unser professionelles 24V/5A Schaltnetzteil (4. Bild rechts) erzeugt im Primärschaltkreis ca. 400 Volt Gleichspannung. Wie bereits gesagt, diese Spannung ist hochgefährlich und das gefällt mir gar nicht und deshalb werden wir im Audio-Bereich davon absehen. Es muß nämlich nicht sein.
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Alle bei uns verfügbaren größeren Trafos liefern im Leerlauf eine - für unseren Verstärker-Chip - zu hohe Spannung. Eine leistungsfähige Spannungsregelung muß also her. Und da bieten sich ältere analoge 24 Volt Netzteil-Bausätze z.B. von ELV / Smart-Kits an. Wir haben mehrere solcher Bausatz-Tüten seit Jahren (auf Verdacht) in der "Vorratskammer" liegen.
Der 24 Volt Regler-Bausatz von Smart-Kit - Type 1138
Die Bausatz-Platine ist als Herz eines eigenständigen Labornetzgerätes entwickelt und wird von mir in nahezu der Maximalstellung der beiden Potentiometer betrieben. Ein Poti steuert die Spannung und ein zweites den Strom. Ich kann also alle vorbereiteten Einstellungen dieser fertigen Konzeption so belassen und könnte sogar die beiden Potis mit Festwiderständen überbrücken.
Die Spannung wird durch einen elektronischen Längs- widerstand in Form eines Leistungstransistors (2N 3055 oder Äquivalent) erreicht. Das bedeutet, alles über 24,0 Volt wird an einem Kühlkörper in Wärme umgewandelt. Da auch ein Ringkern- Trafo bei Belastung wieder leicht in die Knie gehen wird, habe ich mit der Verlustwärme im späteren realen Betrieb kein Problem.
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Ein Bausatz war damals und ist auch heute noch zeitaufwendig
Die Bauteile wurden in einem Tütchen geliefert, aus England. Ein Bausatz war komplett, bei dem anderen waren zwei Widerstände falsch. Der hätte nie funktioniert. Die Bestückung der Platine macht nur noch alten Elektronik-Bastlern Spaß, die jungen haben keine Geduld mehr. Darum sind auch Bausätze nahezu unverkäuflich. Die inzwischen fertig bestückten Teile kommen heute fast alle (noch) aus China.
- Die Rückseite
- halbfertig bestückt
- hier drauf klicken zum Vergrössern
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Kommentar zu dem 3. rechten Bild oben drüber
- Hilfreich - die Dauerkontrolle
Links an den beiden grünen Drähten kommt die Wechselspannung vom Trafo an und mit den beiden Prüfklemmen links messe ich die daraus erzeugte aktuelle Gleichspannung (vor der Regelung).
Die drei Drähte oben (rosa, grau, schwarz) gehen zum Leistungstransistor auf dem grossen Kühlkörper und an den beiden Drähten rechts (rot und schwarz) fließt der Strom mit der regulierten Ausgangs-Spannung (24V= DC) zum Verstärker.
Die drei ganz dünnen Drähtchen ganz rechts gehen zu einer Digital-Anzeige der Ausgangsspannung - siehe Bild rechts. Mehr zu dieser Regelung folgt weiter unten.
Diese ersten Vergleichs-Messungen sind natürlich nicht nur für unsere Labor- und Muster- und Digitalverstärker von Interesse, sondern allgenmeingültig für die Nutzung von Transformatoren. Darum sind diese Messungen jetzt bei uns im Bereich "Bauteile und Komponenten" angesiedelt. Schaun Sie mal rein und kommen Sie hierher zurück.
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Wir haben hier den für uns günstigsten Trafo ausgesucht :
Die Gründe lesen Sie in unseren Messungen und die finden Sie in dem Link oben drüber.
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Der "fliegende Aufbau" bekommt ein Zuhause
Auf dem Labortisch hatte ich ausprobiert, daß dieses Konzept überhaupt funktioniert. Der Verstärker soll an 4 Ohm (BRAUN L715) 2 x 50 Watt Sinus liefern (an 8 Ohm sollen es 30 Watt pro Kanal sein) und dabei im Dauerbetrieb bei leisen Lautstärken möglichst wenig Strom verbrauchen.
Der ausgewählte Schittbandkern-Trafo funktioniert bis zu 24V=/4 Ampere stabil (das wären dann gelieferte 96 Watt), sodaß diese Daten durchaus realistisch sind.
Daß er dabei 157 Watt aus dem 230V Netz zieht ist für uns nicht relevant, das kommt seltenst vor. Das sind sowohl die Magnetisierungsverluste des Trafos als auch die Verluste des 24V Reglers, der die zu hohe Spannung in Wärme wandelt. Weiterhin ist in der Netzbuchse ein hochwertiges 230V Netzfilter aus der EDV integriert, sodaß von dort keine Störungen zu erwarten sind.
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Eine neue Schattenseite des Class D Verstärkers kommt raus
Es ist vorher nicht so aufgefallen (also ohne Boxen hinten dran), daß dieser Digital-Verstärker beim Einschalten - mit den bereits angeschlossenen Boxen - einen deutlich hörbaren (unschönen) Einschaltknacks von sich gibt.
Soetwas wird normalerweise von einem verzögerten Lautsprecher-Relais abgefangen, bei uns aber nicht. Mal sehen, wie wir das lösen können.
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Dieses Modul war anfänglich gar nicht eingeplant. Doch unser ausgewählter Trafo hat zwei zusätzliche Sekundärwicklungen mit je 8,3 Volt~, sodaß dort ohne großen Aufwand und "Mehrverbrauch" bestimmt benötigten 12 Volt= erzeugt werden können.
Diese Zusatzplatine würde auch noch Platz in unserem Gehäuse finden und die Potis würden auf der Frontseite untergebracht. Doch "die Platine" (also deren Daten) verspricht mehr, als sie wirklich kann. Viele wesentliche Funktionen gibt es nicht, zum Beispiel eine Linear-Taste.
Also wird das vorerst nichts.
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Die Leistung im Leerlauf beträgt 5,9 Watt
Das ist für einen 2 x 30 (bzw. 50) Watt Verstärker mit einem 100 Watt Netzteil ein sehr guter Wert. Es könnte sein, daß ein digitaler Spannungsregler (kommt noch) noch etwas mehr einspart.
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Der eigentliche Sinn und Zweck der ganzen Aktion war ursprünglich - den Leistungsverbrauch meiner Hintergrund- und Arbeitsmusik zu minimieren bei gleichzeitiger über- durchschnittlicher Sound-Qualität.
Ob jetzt vom RASPI oder über den SONY DTC 55 Wandler kommend, leise bis mittellaute Musik sollte diese Kombination effizient hervorbringen.
Der Hör-Test mit dem Testaufbau auf dem Labortisch in unserem Hifi-Labor bei "sehr hoher" Zimmerlautstärke mit 2 BRAUN L715 als Boxen (4 Ohm) war erfreulich. Also der Verstärker klingt wirklich angenehm sauber und braucht bei diesen doch erheblichen Test-Lautstärken gerade mal 8,2 Watt im Mittel. Das Meßgerät mittelt den Verbrauch. Der Kühlkörper des Digital-Verstärkers wird bei 22°C gerade mal handwarm.
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