Geregeltes Class-A Netzteil in Akku-Qualität
T.Hartwig-ELektronik
Blumenweg 3a,  D-34355 Staufenberg
Tel. 05543 - 3317, Fax 05543 - 4266
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völlig abgefahrenes Ausnahme-Netzteil

Black-Pulsar  Die audiophile Masterversion eines Netzteils
Stromgeregeltes Doppel-Nezteil mit elektronischem Shuntwiderstand
für Vorstufen, Aktivweichen, usw. Dies ist eine der ungewöhnlichsten Methoden, ein Netzteil zu bauen. Die gesamte Energie einer Konstantstromquelle wird in einem elektronischen Lastwiderstand verheizt, abzüglich der Energie, die der Verbraucher zieht. Die perfekte Schaltungsart für eine extrem saubere und schnelle Spannung. Rauschen und andere Störungen sind auf das Niveau von Akkus reduziert.
Für Audiomodule bis max. 500mA

seit 2013

Energie-Vergeudung in seiner reinsten Form
Der Begriff "Klasse-A" ist eher in der Verstärkertechnik geläufig. Ihn auf ein Netzteil anzuwenden, hat sich noch nicht so entwickelt. Diese Bezeichnung dient jedoch zum besseren Verständnis der Funktionsweise dieses Ausnahme-Netzteils.
Das Schaltungs-Prinzip ist vergleichbar mit einem Auto, das mit Vollgas gefahren und die Geschwindigkeit nur mit der Bremse geregelt wird (nicht nachmachen!). Allerdings liegen die maximalen Verlustwerte unserer Schaltung bei max 12 Watt pro Hälfte. Deshalb ist dieses Prinzip hier noch vertretbar. Jedoch ist es angesichts der Verlustwerte erforderlich, dass die Sache richtig gemacht wird.

Als Belohnung scheint ein bisher nicht erfüllbares Wunschdenken erreicht worden zu sein - Eine Spannung in Akku-Qualität
Durch geschickten Einsatz von MOS-FET's und bipolaren Transistoren ist diese perfektionierte Schaltungsart prinzipiell frei von jeglicher Schwing- und Rauschneigung. Sogar Netzstörungen werden wirkunsvoll unterdrückt, da eine Stromquelle für Wechselstrom jeder Art einen nahezu unendlich hohen Widerstand darstellt. Deshalb sind auch so gut wie keine messbaren Brummspannungen oder andere Störanteile vorhanden. Auch ist keine einzige Kompensations-Maßnahme erforderlich, wie sie oft bei spannungsgeregelten Netzteilen üblich ist.

Das ermöglicht einen puristischen Bauteile-Einsatz, was sich entsprechend auf die Lebendigkeit der Musikwiedergabe auswirkt.
Im Vergleich mit dem oben erwähnten Auto wird vorstellbar, wie extrem schnell so ein Netzteil auf Lastanforderung reagiert, ohne jegliche Neigung zum Überschwingen. Auch können je nach Bedarf und Vorliebe unbegrenzte Elkokapazitäten folgen.

Die Performance-Steigerung angeschlossener High-End Audiomodule ist von solchem Ausmaß, dass der relativ hohe Energieverlust auf jeden Fall gerechtfertigt erscheint. Vorstufen, Phonovorstufen, usw. erreichen ihr höchstes Level, hervorgerufen durch eine Spannungsreinheit, wie sie bisher nur von Akkus bekannt ist, und diese sogar in einigen Werten - wie z.B. Schnelligkeit - noch übertrifft.

Diskret aufgebaut
Die Regelelektronik ist eine bewährte klassische Analogschaltung ohne ICs.
Wichtige Bauteile sind von hoher audiophiler Qualität: Superschnelle Gleichrichterdioden,
nach eigenem Messverfahren ausgesuchte Elkos in Bezug auf Verlustwerte, Verhalten bei Parallelschaltung und Temperaturverhalten,
sowie geradliniges Layout und einfache Handhabung.

Man bedenke, dass die Ausgangsspannung einer Audioschaltung zu 100% aus der Versorgungsspannung besteht, lediglich moduliert vom Eingangssignal. Erst dadurch mag bewusst werden, wie wichtig die Qualität der Stromversorgung ist und welch ungeahnte Auswirkungen ein solch abgefahrenes Netzeil besitzt.


Prinzip eines Class-A Netzteils mit elektronischem Shuntwiderstand
Von Z-Dioden bekannt. Dort belastet eine Z-Diode einen Vorwiderstand und teilt sich den Strom mit dem Verbraucher. Allerdings nur für winzige Ströme und einfache Anwendungen geeignet.
Hier werkelt jedoch eine präzise Regelung: Wird keine Last angeschlossen, so fließt durch den Shuntwiderstand (im Bild der Transistor) der gleiche Strom, wie durch die Stromquelle. Beim Anschluss einer Last gibt der Transistor entsprechend nach und hält dadurch die Spannung konstant.
Strom und Ausgangsspannung sind präzise einstellbar

Der maximal einstellbare Strom richtet sich nach der Eingangsspannung der Konstantstromquelle (Ausgang Gleichrichter unter Last) und sollte eine Verlustleistung von nicht mehr als ca. 10-12 Watt hervorrufen (ergibt eine Kühlertemperatur von ca. 55°C über Umgebung).
Hinweis: Der Verbraucher kann nicht mehr Strom ziehen, als die Konstantstromquelle durch ihre Einstellung liefert. Das sollte man bei extremer Impulsbelastung bedenken, wobei der Ausgangs-Elko einen gewissen Mehrstrom im Impulsmoment abgeben kann.

Einstellungs-Beispiel
22Volt Eingangsspannung (für z.B. 18V stabilisierter Ausgang) ergibt einen max. möglichen Strom von 450mA
(10 Watt dividiert durch 22 Volt = 450mA). Gemessen zwischen MP1 und MP2; mV=mA.

Der max Strom von 1A sollte also nur bis 10-12 Volt Eingangsspannung eingestellt werden.
Bei 35 Volt  Eingangsspannung sind ca. 300mA maximal möglich. siehe auch die Tabelle unten.

Als Anhaltspunkt dient ein Strom, der mindestens doppelt so hoch sein sollte, wie der Verbraucher zieht. Für einen noch höheren Strom kann man sich entscheiden, wenn die obige Berechnung und die Wärmeentwicklung das zulässt und sich ein weiterer klanglicher Erfolg ergibt.

Anwendungs-Beispiel
Unsere Supervorstufe VX-D nimmt eine Strom von ca- +/- 50mA bei +/- 30Volt auf. Max Impulsstrom beim niederohmigen Kopfhörerbetrieb ca. +/- 80mA. Hier würde man die Konstantstromquelle auf ca. 100-200mA einstellen (max. möglich: 330mA).

Das Netzteil ist doppelt aufgebaut (zwei galvanisch getrennte Hälften). Die beiden Spannungen können nur einzeln, oder für eine symmetrsiche Anordnung (+/-) verwendet werden. Das Prinzip dieser Netzteilschaltung lässt eine Parallelschaltung der Ausgänge nicht zu.

Gehäusebelüftung
Der Kühler darf eine Temperatur von 85°-90° Grad erreichen. Wird das Netzteil mit einer Verlustleistung von mehr als 2x6 Watt betrieben, so könnte bei einem zu kleinen Gehäuse eine Belüftung nötig sein. Im Zweifel testen. Eine Belüftung könnte mittels Bohrlöcher im Boden (unter oder neben der Leiterplatte) und in der Rückwand angebracht werden.
Info zur Elkotemperatur:
Bei max. 85° Grad Kühlertemperatur (12W im nicht geschlossenen Gehäuse) pendelt sich die Elkotemperatur bei ca. 45° Grad ein.

Kurzschlussfest aus Prinzip - auch in diesem Falle kann nicht mehr, als der eingestellte Strom fließen.
 
Anschlussbild
Die erforderliche effektive Trafowechselspannung siehe weiter unten.
Trafo-Nennspannungen gelten unter Vollast. Siehe auch hier:
Wird das Spannungspoti (P2) höher gedreht, als max Spannung möglich ist, verhält sich das Netzteil wie eine Konstantstromquelle, d.h., der max eingestellte Konstantstrom fließt erst, wenn eine entsprechend starke Last angeschlossen wird. In diesem Falle passt sich die Ausgangsspannung dem Konstantstrom an.
Für eine symmetrische Spannung werden die beiden Ausgänge in Reihe geschaltet, wie in Abb.
Parallelschaltung ist hier nicht möglich.


Doppelnetzteil, galvanisch getrennt

Die Ausgangsspannung muss vor Ort
entsprechend den Erfordernissen eingestellt werden.
Preise

Typ
Elkos je Hälfte
EUR
BLP 10/35
4x10.000µ/35V
125,00
BLP 6,8/50
4x 6.800 µ/50V
129,00
Maße: LxBxH=200x71x54mm
(Höhe ab Unterkante Leiterplatte)
Technische Daten pro Hälfte
Eingangsspannung: 9-25V AC(~) bei 35V Elkos.
Eingangsspannung: 9-36V AC(~) bei 50V Elkos.
Einstellbarer Strom der Stromquelle: 150mA - 1000mA
(abhängig von der Eingangsspannung)
Ausgangsspannung einstellbar:
bei 35V Elkos ca. 3,5 - 30VDC
bei 50V Elkos ca. 3,5 - 40VDC
Spannungsdrift bei 85°C ca. 1-2%
Wichtige Info
Wenn das Black-Pulsar der Teil eines Gesamtsystems Ihrer Bestellung ist
(z.B. Vorstufe mit Netzteil), so wird das Black-Pulsar  voreingestellt geliefert,
so dass Sie es ohne weitere Einstellungen in Betrieb nehmen können.
Die Stromangabe bezieht sich auf den Shuntstrom. Der Verbraucher sollte max. die Hälfte dieses eingestellten Stromes benötigen.

Hinweis
Das Black-Pulsar passt in der Höhe nicht ganz in unsere Gehäuseserie GHX, die mit -07 enden (Innenhöhe 62mm)
Die montierten Abstandsbolzen M3x10 müssten gegen M3x5 getauscht werden.
Maximale Strom-Einstellungen
Die Tabelle rechts zeigt die Grenzwerte des einstellbaren Stromes (MP1 > MP2) in Abhängigkeit zur Eingangsspannung (MP1 gegen Minus). Dabei bedeutet die Stromangabe nicht den Verbraucher-Strom, sondern den Shuntstrom. Der Verbraucher sollte max. die Hälfte dieses eingestellten Stromes benötigen (110-500mA).
Bei sehr guter Gehäusebelüftung kann der max. Strom um bis zu 20% erhöht werden. Höhere Ströme führen nicht sofort zur Überlastung, sondern können kurzzeitig auch für evtl. Tests eingestellt werden. z.B. 3-facher Höchststrom für max 1 Minute.
Der Strom kann auch ohne Messgerät grob eingestellt werden. Auf der Grafik rechts ist die jeweilige Potistellung zu erkennen. Die Werte berücksichtigen die max. Potitoleranzen und leichte Abweichungen bei starken Eingangsspannungsunterschieden. Eine sehr hohe Genauigkeit der Stromeinstellung ist in der Praxis nicht nötig. Der Sinn des Schaltungsprinzips ist bereits erreicht, wenn der Strom mindestens auf den doppelten Wert des Verbraucherstroms eingestellt wird.

Maximale Spannungs-Einstellungen

Die eingestellte Ausgangsspannung kann höchstens auf ca. 2-3Volt unter der Eingangsspannung eingestellt werden. Darüber arbeitet die Spannungsstabilisierung nicht mehr, und das Netzteil geht in den reinen Strombetrieb über.
Die Höhe der Ausgangsspannung hat keinen Einfluss auf die Stromgrenzwerte. Sie verändert nur die Aufteilung der Verlustleistung zwischen Shunttransistor und Stromquelle, die in der Summe immer gleich bleibt. Lediglich der Strom des Verbrauchers reduziert entsprechend die Verlustleistung des Shunttransistors.
10V
1000mA
12V
830mA
15V
670mA
20V
500mA
25V
400mA
30V
330mA
35V
280mA
40V
250mA
45V
220mA

Die erforderliche effektive Trafowechselspannung beträgt im unbelasteten Zustand das ca. 0,7 fache der Eingangsgleichspannung. Unter Last verringert sich die Trafo-Wechselspannung entsprechend, so dass für die erforderliche Gleichspannung nahezu der gleiche Wert für den Trafo gilt. Daher kann hier für die erforderliche Trafospannung keine genaue Angabe gemacht werden. Folgende Richtwerte können angenommen werden:
Trafospannung (AC)
max Ausgangsspannung (DC)
9V
5-6V
12V
9-12V
15V
13-16V
18V
16-20V
24V
24-27V
30V
30-36V
Dabei wird von einem normal dimensionierten Trafo mit Nennbelastung ausgegangen. Wird ein Trafo überdimensioniert, oder wird er deutlich unter seinem Nennstrm belastet, kann eine etwas höhere Ausgangsspannung, als in der Tabelle angegeben, eingestellt werden. Die Angaben in der Tabelle sind daher Richtwerte und können in der Praxis leicht abweichen.

Jetzt ist es klar
Zwar waren wir schon von Anfang an der Überzeugung...
Aber nun ist es durch zahlreiche E-Mails und Telefongespräche unserer Kunden bestätigt worden:
Dieses Netzteil hat mindestens Akku-Qualität
Das bedeutet: Die Spannungsreinheit entspricht messtechnisch der von Akkus, die Schnelligkeit ist hier jedoch höher.
Nachteil gegenüber Akkus ist die wesentlich größere Wärmeentwicklung.

Somit bleibt als Entscheidungsgrundlage ob Akkus oder Black-Pulsar
eigentlich nur noch die persönliche Vorliebe zu einer bestimmten Schaltungsart.