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Vom
230V-Netz zur perfekten Gleichspannung
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Ein Audioverstärker
ist ist nur so gut, wie seine Stromversorgung.
Das Ausgangssignal einer
NF-Stufe besteht zu 100% aus der Betriebsspannung, gesteuert vom Eingangssignal.
Je kleiner die Signalspannung,
desto größer der Einflus von Störungen auf der Betriebsspannung.
Um das optimale Netzteil
zu konfigurieren, beschreiben wir hier einige Grundlagen.
Grundsätzliche Funktion
der einzelnen Stufen
Mindestanforderungen an
ein Audio-Netzteil
Praktische
Anwendung
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auf
die Skizzen klicken
1.
Diese Skizze zeigt die grundsätzliche
Reihenfolge der Netzteil-Elemente:
230V-Netz
-
Netztrafo
- Gleichrichter - Siebung,
je nach Anforderung.
Hier
wird ein asymmetrisches Netzteil (eine Spannung) gezeigt. Den Minuspol
bezeichnet man auch als Null (0) und dient in der Regel als System-Masse
(auch: Ground oder GND). |
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< Symmetrisches
Netzteil 1. Version
Zwei
Einzel-Spannungen
Ein
symmetrisches Nertzteil besteht immer aus zwei Spannungen, die in Reihe
geschaltet werden. Der Mittelpunkt der Reihenschaltung wird als NULL (0)
bezeichnet und dient in der Regel als System-Masse (auch: Ground oder GND).
Im
einfachsten Fall werden die Ausgänge von zwei Einzelnetzteilen in
Reihe geschaltet, wie nebenstehende Skizze zeigt.
Nach
diesem Prinzip sind alle unsere Klein-Netzteile aufgebaut |
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Alle
unsere Audio-Module benötigen eine symmetrische Betriebsspannung |
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< Symmetrisches
Netzteil 2. Version
Im
anderen Fall wird ein Netzteil gleich symmetrisch aufgebaut. Man spart
einen Gleichrichter.
Die
Ausgangsspannungen können nicht mehr galvanisch getrennt werden, wie
z.B. bei unserem Netzteil SPR 8.2 und den
Power-Siebungen
Spannungsmessung
an einem symmetrischen Netzteil
Die
Ausgangsspannung eines symmetrischen Netzteils bezeichnet man allgemein
z.B.
+/-15V
Das
bedeutet:
+
hat 15V positive Spannung gegen Null (Masse) gemessen
- hat
15V negative Spannung gegen Null (Masse) gemessen
Von
+ nach - würde man entsprechend die Summe von +/-15V = 30V messen
Immer
gilt dieses Prinzip der Reihenschaltung, egal, ob Batterien, Akkus, oder
unser Schaltnetzteil ACDC-1215
(1x12V). |
Die
obenstehenden Skizzen stehen stellvertretend für alle Arten von Spannungsquellen.
Ein
Trafo mit zwei Ausgangswicklungen kann durch zwei Trafos mit Einzelwicklungen
ersetzt werden.
Ein
Gleichrichter kann aus einem Bauteil, oder aus Einzeldioden bestehen.
Ein
Elko kann eine Parallelschaltung mehrerer Elkos bedeuten.
Die Kette Wechselspannung
- Gleichrichtung - Siebung
Der Netztrafo stellt die
gewünschte Spannung zur Verfügung. Seine Leistung sollte je nach
Qualität mindestens der des Verbrauchers entsprechen, bzw. etwas höher
sein. Die Spannungsangaben eines Trafos gelten in der Regel bei Nennlast,
d.h. wenn er mit dem max zulässigem Strom belastet wird, stellt sich
die angegebene Spannung ein. Im Leerlauf (unbelasteter Zustand) beträgt
die Spannung ca. 4% bis 25% mehr als die Nennspannung, je nach Größe
des Trafos.
Beispiel: 700VA ca. 4%,
15VA ca. 25%. Das ist in jedem Falle zu berücksichtigen. Man hat also
nie in allen Lastbereichen die gleiche Spannung.
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2.
Diese Skizze zeigt den Verlauf
der Wechselspnannung am Trafo-Ausgang. "Vs" bedeutet Spitzenspannung, "Veff"
die effektive Wechselspannung. Das ist die Spannung, die ein Voltmeter
im AC-Bereich anzeigt. (AC=Wechselspg.) |
So sieht die ideale Wechselspannung
am Trafo-Ausgang aus. In der Praxis leider immer öfter nicht mehr
der Fall. Dazu kommen wir später. Die Sinusspitzen stellen die sog.
Spitzenspannung dar. Ein normales Wechselspannungs-Voltmeter zeigt jedoch
den Effektivwert an. Das ist ein gemittelter Wert zwischen VS und Null.
VS beträgt bei einem sauberen Sinus das 1,414-fache (Ö2)
von Veff, oder Veff 70,1% von Vs. Wird der Sinus durch Belastung des Trafos
"deformiert" stimmt diese Formel nicht mehr ganz.
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3.
Diese Skizze zeigt die Form
der Gleichspannung am Gleichrichter-Ausgang, wenn kein Sieb-Elko vorhanden
wäre. Die untere Hälfte ist sozusagen hochgeklappt. |
So sieht die gleichgerichtete
Wechselspannung am Gleichrichter aus (ohne Sieb-Elko). Die Frequenz hat
sich von 50Hz auf 100Hz verdoppelt. Für Audioschaltungen ist diese
Spannung immer noch unbrauchbar. Dagegen könnten Anzeigelämpchen
oder LEDs (mit Vorwiderstand) damit betrieben werden. Effektiv- und Spitzenwert
verhalten sich wie unter "2" beschrieben.
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4.
Diese Skizze zeigt den Verlauf
der gleichgerichteten und gesiebten Spanung unter Last an. Es entsteht
dabei eine weitere sogenannte Brummspannung, die der Gleichspannung überlagert
ist. |
So sieht die mit einem Elko
gesiebte Gleichspannung aus (Ladekurve Sieb-Elko). Ohne Belastung wäre
diese Spannung "glatt". Unter Last entsteht jedoch eine sog. Brummspannung,
oder überlagerte Wechselspannung. Der Elko wird in den Sinusspitzen
aufgeladen, um seine gespeicherte Energie in den "Pausen" wieder abzugeben.
Wie weit diese Spannung dazwischen absinkt, hängt von der Kapaztät
der Elkos und von der Belastung der Spannung ab. Die Brumspannungsangabe
bezieht sich auf die Spannungsdifferenz zwischen +peak und -peak.
Ein Gleichspannungs-Voltmeter würde als Gesamtspannung den Effektivwert
dazwischen anzeigen.
Gleichzeitig sinkt unter
Last aber auch die Gesamtspannung (VDC eff), je nach Belastbarkeit des
Trafos. Diese Tatsache zu berücksichtigen ist wichtig beim Einsatz
einer nachfolgenden
Stabilisierungs-Schaltung.
Diese benötigt immer
eine etwas höhere Eingangsspannung (ca. 2-4V) als die einzustellende
Ausgangsspannung. Der niedrigste Wert der Gleichspannung (-peak) muss also
unter Vollast noch mindestens um diese Spannungsdifferenz höher liegen,
als die gewünschte Ausgangsspannung.
Einem Verbraucher steht
also höchstens nur die sog. "-peak" Spannung unter Vollast zur Verfügung
Die Brummspannung ist
ein Maß für die Qualität des Netzteiles.
Sie errechnet sich vereinfacht
in etwa wie folgt: (Strom x 10.000) / Kapazität (µF). (Bei größerer
Brummspannung kann auch mit 8000 gerechnet werden, da durch den größeren
Spannungseinbruch früher nachgeladen wird).
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5.
Mindestanforderungen an ein Audio-Netzteil
Da die Brummspannung
bei obiger Anordnung immer vorhanden ist, stellt sich die Frage, wieviel
eine Audioschaltung toleriert. Dazu ein Rechenbeispiel:
Eine 200W/4W
Endstufe zieht im Leerlauf 200mA und das Netzteil wird mit 22.000µF
gepuffert.
Nach obiger Formel ergibt
sich eine Brummspannung von etwa 90mV.
Bei Vollast fließt
z.B. ein Strom von 3,5 Ampere effektiv (pro symmetrischer Spannungshälfte),
was eine Brummspannung von etwa 1,7 Volt zur Folge hat.
Zuviel oder nicht zuviel?
Das hängt davon ab,
wieviel am Ausgang einer Audiostufe davon noch ankommt. Und das hängt
sehr vom Gegenkopplungsfaktor ab. Hat eine NF-Stufe keine Gegenkopplung
(wie z.B. bei Röhren oft üblich), so kann die Brummspannung am
Ausgang nahezu den gleichen Wert annehmen, wie auf der Betriebsspannung.
Bei einer Gegenkopplung werden auch die Störungen der Betriebsspannung
unterdrückt. Einige Datenblätter von Schaltungen geben eine sog.
"Betriebsspannungsunterdrückung" an. Der Wert beträgt in der
Regel ca. 80 - 120dB, kann aber im Einzelfall weit darüber oder darunter
liegen. Hat eine Endstufe z.B. eine Unterdrückung von 80dB (10.000-fach),
so kommen von den oben genannten 1,7Volt noch 0,17mV am Ausgang unter Vollast
an, also so gut wie unhörbar. Im Leerlauf sind es ca. 9µV auf
der Lautsprecherleitung. Brummspannungsmäßig ist eine solche
Kapazität also völlig ausreichend. Bei Vorstufen sieht die Sache
etwas anders aus, da hier mit sehr kleinen Signalen gearbeitet wird, und
somit der Abstand zur Brummspannung nicht mehr so groß ist. Beispiel:
Kapazität 2.200µF, Strom ca. 50mA, ergibt eine Brummspannung
von ca. 220mV. Das könnte zuviel sein. Abhilfe schafft dann nur eine
Stabilisierung, oder größere Siebung.
Aber nicht die Brummspannung
allein ist maßgebend, sondern die
Standhaftigkeit bei Impulsbelastungen.
Und hier kann man nicht mehr nach den Mindestanforderungen gemäß
den Lehrbüchern gehen. Denn Elko-Qualitäten im Zusammenhang mit
den eingesetzten Trafos und Dioden bestimmen in einem großen Maße
die Erfüllung von High-End-Ansprüchen. Elkos können nicht
den Spannungseinbruch am Trafo verhindern. Normalerweise sind den Elkokapazitäten
technisch keine Grenzen gesetzt, wenn Trafo und Gleichrichter den Einschaltstrom
verkraften. Deshalb müssen Dioden oft einen höheren Strom aufweisen,
als im Betrieb tatsächlich fließt. Nur der Trafo wirkt beim
Einschalten begrenzend. Aber nicht nur die Kapazität, sondern auch
die Schnelligkeit der Stromlieferung ist wichtig. Dazu werden oft kleine
Kondensatoren (MKP oder noch besser Film-Foil) parallelgeschaltet. Diese
können noch einmal die Schnelligkeit steigern. Allerdings sollte man
bedenken, dass ein langes Kabel zum Verbraucher durch seine Induktivität
wieder bremsend wirkt (ab 10cm), so dass ein solcher Stützkondensator
auf jeden Fall auch direkt am Vebraucher angebracht sein sollte.
Bei überdimensionierte
Kapazitäten sollte man ein paar wichtige Dinge beachten: Solche Anordnungen
können sehr gefährlich sein. Im Kurzschlussfall können mehere
100 Ampere fließen!! Auch muss der Trafo in der Lage sein, große
Elkos in einer kurzen Zeit nachzuladen.
Bei der Wahl des Trafos gibt es noch einen wichtigen
Punkt zu beachten. Schauen Sie noch einmal auf Skizze 4. Dort sehen Sie,
dass ein Elko nur während der Sinusspitze nachgeladen werden kann.
Somit ist der Ladestrom immer höher, als der effektiv entnommene Strom.
Der Trafo wird also nicht sinusförmig sondern immer nur mit ca. 3-fach
höheren Sromspitzen belastet, als effektiv in den Verbraucher fließt.
Ob deswegen ein Trafo überdimensioniert werden muss, hängt von
seiner Qualität und von seinen technischen Merkmalen ab. Unsere Trafos
sind z.B. für diesen Umstand ausgelegt, so dass Sie für einen
400W-Verstärker einen ca. 450VA-Trafo einsetzen können.
Anmerkung: Die Belastung
der Sinusspannung im Spitzenwert findet nicht nur hier, sondern auch in
vielen anderen Geräten aus ähnlichen Gründen statt. Daher
kommt es oft vor, dass der Netz-Sinus schon deformiert (in der Spitze abgeflacht)
im Haushalt ankommt. Das ist nicht weiter tragisch, verändert aber
mehr oder weniger das Ergebnis von Berechnungen. z.B. Spitzenspannung =
ca. 1,3-fach statt 1,414 (Ö2)
fach.
Stabilisierte Spannungen
kennen
so gut wie keine Probleme mit Brummspannung.
Näheres über das
Für und Wider erhalten Sie unter Infos
über audiophile Spannungsregler
Akkuspannungen haben
auch sehr große Vorteile, sind jedoch im ganzen nicht so schnell,
was durch geeignete Elkopufferung ausgeglichen werden kann. Siehe Akkunetzteile
Praktische Anwenungen
von THEL-Netzteilen siehe hier |
