Richi´s Lab

 

M250-Verstärker

Für den Bau dieses Verstärkers gab es zwei Gründe: Zum einen wollte ich mich mit Bipolartechnik beschäftigen und zum anderen konnte ich noch einen großen Verstärker für meine Party-Musikanlage gebrauchen.

Der Verstärker sollte später eine Ausgangsleistung von mehr als 2x200Wrms darstellen können und vollständig diskret aufgebaut sein.
Eine komplette Eigenentwicklung eines solchen Verstärkers wäre damals in absehbarer Zeit kaum möglich gewesen. Also machte ich mich auf die Suche nach einem fertigen Schaltplan für die eigentlichen Endstufenmodule. Nach längerer Recherche fiel meine Wahl auf den "M250-Verstärker". Seine Leistung wurde mit 2x250W angegeben.

Zuerst versuchte ich die Endstufentransistoren zu wechseln, da mir die MJ15024 / MJ15025 im TO-3-Gehäuse zu viel Platz einnahmen. Mit etwas Unterstützung aus dem Hifi-Forum fiel die Wahl auf die Transistoren MJL21193 / MJL21194 im TO-264-Gehäuse.
Mit den neuen Transistoren spekulierte ich außerdem darauf eine 2Ohm-Stabilität darstellen zu können. Besonders sinnvoll war diese Anforderung zwar nicht, aber die Idee faszinierte mich.

 

Bis zu diesem Projekt hielt ich nicht viel von Simulationen. Nun schien es aber angebracht die Endstufe zu simulieren, um die elektrischen Vorgänge besser verstehen zu können. Also baute ich den Verstärker in LTSpice auf, wobei ich mich auch gleich noch mit dem Einbinden der vielen nicht vorhandenen Bauteile beschäftigen durfte.

LTSpice behauptete schließlich folgendes:
- Mit einer idealen 55V-Versorgung würde der Verstärker bei 1,8Vs in den Clippingbereich übergehen und dabei 283W an einer rein resisitiven 4Ohm-Last ausgeben. Bei einer Last von 2Ohm wären es 557W.
- Mit 60V Versorgungsspannung und einem Eingangspegel von 2Vs wären es 350W an 4Ohm und 677W an 2Ohm.
- Mit einem 60Vs-Ringkerntrafo, vier MBR20200-Dioden und 40mF-Siebkondensatoren errechnet LTSpice 526W an 2Ohm.
- Bei all diesen Szenarien lies sich kein Eingreifen der Überstromschutzschaltung erkennen. Erst bei einer Belastung von 1,8Ohm würde die Schutzschaltung leitend.

 

Beim Layout habe ich vier Drahtbrücken in Kauf genommen um die Masseführung möglichst ideal ausführen zu können.

Mit dem Wissen, das ich heute habe, würde ich manche Dinge anders konstruieren. Für die damalige Zeit war die Umsetzung nicht schlecht.

 

Für die Endstufenplatine besorgte ich 70µm-Basismaterial, welches mein Kommilitone ebenso problemlos ätzte wie alle bisherigen Platinen.

 

 

Testen wollte ich die Endstufen zuerst mit einem provisorischen Aufbau.

Prompt hatte ich Probleme mit einer 300kHz-Schwingung woraufhin ich die Verkabelung der Endstufentransistoren verkürzte, das zuvor noch ignorierte RL-Netzwerk am Ausgang einbaute und 100nF-Kondensatoren in die Spannungsversorgungszweige lötete. Die Schwingung blieb allerdings bestehen.
Der Grund für die Schwingungen war eine Masseschleife: Zuerst hatte ich die Lautsprechermasse mit Krokodilklemmen um die Platine zu meinem externen Massepunkt geführt, die Masse meine Signalgenerators schloss ich auch gleich mit an die Lautsprechermasse an und das war das Problem. Nachdem ich die Signalgeneratormasse auf den dafür vorgesehenen Lötstift gelegt hatte, zeigten sich keine Schwingungen mehr.

 

Für jede Endstufe plante ich ein eigenes Netzteil.
Die Gleichrichter baute ich mit vier MBR20200-Schottky-Dioden auf.

Auf der Unterseite der Platine befanden sich vier 6,8nF-Kondensatoren um Störungen durch die schnellen Dioden zu unterdrücken.

 

Vor den Ausgangsklemmen integrierte ich einen Gleichstromschutz für die Lautsprecher.
Hinter einem Tiefpass detektierten zwei Differenzverstärker Gleichspannungen. Außerdem beinhaltete die Schaltung: eine Wiedereinschalt-Verzögerung, einen Ausgang, der dem Hauptrechner den aktuellen Status mitteilen konnte und einen zusätzlicher Schalteingang mit dem der Hauptrechner bestimmen konnte wann die Lautsprecher überhaupt zugeschaltet werden durften.

 

Als Glättungskapazität wählte ich vier mal 22mF.

Die Kupferplatte sollte als zentraler Massepunkt dienen. Sie würde später direkt mit dem (geerdeten) Gehäuse verbunden und gleichzeitig zur mechanische Befestigung genutzt.
Durch einer sehr konsequent massive Masseführung wollte ich Problem mit Masseschleifen vermeiden.

 

Für einen möglichst niedrigen Innenwiderstand verstärkte ich die stärker belasteten Strombahnen mit Kupferdrahtstücken.
Leider verzog sich die Platine dabei leicht, was allerdings kein größeres Problem darstellen sollte.

Für die Versorgung wählte ich 4mm^2-Kabel.

 

Um die Verlustleistung der Endstufen im angestrebten 2Ohm-Betrieb abtransportieren zu können, wählte ich zwei Strangkühlkörper mit Lüfter, die je einen Temperaturübergangswiderstand von nur 0,13K/W aufwiesen.

Mit viel Geduld schnitt ich viele Gewinde in die Kühlkörper: Neben der Befestigung des Kühlkörpers an sich mussten neun Transistoren und zwei Platinen angeschraubt werden können.

 

Mit dem endgültigen Kühlkörper wollte ich dann auch Tests mit dem richtigen Netzteil durchführen. Ich erhöhte langsam die Spannung und bei knapp über 50V gab es eine recht ordentliche Entladung. Der 800W-Ringkerntrafo hatte unterstützt von der 40mF-Glättungskapazität ein Stück der Kupferkaschierung von der Platine auf den Tisch aufgedampft.
An der auffälligen Stelle war kein Defekt zu erkennen. Es schien als wäre nur der Abstand der Leiterbahnen mit der aufgelöteten Kupferverstärkung etwas zu gering gewesen. Vielleicht befand sich auch zwischen den Leiterbahnen ein Stückchen Lötzinn. Seither überlege ich mir bei Layouts ganz genau wie groß die Isolationsabstände an den verschiedenen Stellen sein müssen.

Dummerweise funktionierte der Verstärker nicht mehr. Durch die Entladung lagen vermutlich die 50V der Versorgung an der Basis der Endstufentransistoren und damit am Emitter des Stromtreibers an. Das dürfte zu einer Spannung größer 5V an der Emitter-Basis-Strecke geführt haben. Bezüglich negativer Basis-Emitter-Spannung sind Transistoren sehr empfindlich.
Nachdem ich den Transistor getauscht hatte funktionierte der Verstärker wieder. Später stellte sich noch heraus, dass zusätzlich eine kleine 1N4148-Diode des Kurzschlussschutzes Schaden genommen hatte. Diese machte sich aber erst bei einer höheren Versorgungsspannung bemerkbar. Des Weiteren musste ich eine Gleichrichterdiode austauschen.

 

Da die beiden Ringkerntransformatoren einen sehr hohen Einschaltstrom aufnehmen würden, integrierte ich eine Einschaltstrombegrenzung.

Beim Einschalten legt ein Relais die Ringkerntransformatoren erst über zwei parallel geschaltete 47Ohm/9W-Lastwiderstände ans Netz.
Parallel lädt sich ein RC-Glied auf und schaltet über einen Transistor das zweite Relais, welches die Lastwiderstände überbrückt. Simuliert habe ich eine Verzögerung von ca. 100ms.

Ein Entladewiderstand für den Kondensator des RC-Glieds wäre angebracht gewesen. Im damaligen Aufbau löste die Sicherung des aus, wenn der Verstärker schnell (innerhalb ca. einer Sekunde) aus- und wieder eingeschaltet wurde. Ein Problem sollte das allerdings nicht sein.

 

Während der ersten Tests musst ich den Verstärker einige Male ein- und ausschalten, was die Einschaltstrombegrenzung prompt mit einem Ausfall der Lastwiderstände quittierte.
Ich vergrößerte daraufhin die Widerstände auf 100Ohm/17W.

 

Die Eingangsstufe hatte ich quasisymmetrisch aufgebaut um Masseschleifen möglichst gut zu unterdrücken.

Ein Kanal wurde hier invertiert um später auch einen gebrückten Betrieb zu ermöglichen.

 

Das Hilfsnetzteil stellte folgende Potentiale zur Verfügung: -12V, 3,3V, 5V, 12V.

Die Platine besaß einen großen Klemmblock, um das Hilfsnetzteil ebenfalls an den zentralen Massepunkt anzubinden.

 

Zwei Inverter sorgten dafür, dass man den Verstärker mit einem Taster ein- und ausschalten konnte.

Auch hier war mal wieder ein Fädeldraht notwendig.

 

In der Rückwand befanden sich diverse Ausschnitte.
Die Fräsarbeiten erledigte ein Bekannter für mich. Bei der Aussparung für den linken Lüfter hatte er sich leider etwas vermessen.

Solange das Eingangssignal noch nicht differentiell vorlag, wollte ich es möglichst gut geschirmt zum Eingangsverstärker führen.
Um Masseschleifen zu verhindern wählte ich gegen das Gehäuse isolierte Cincheingänge und verband den Schirm der zum Eingangsverstärker führenden Signalleitung nur einseitig mit dem Bezugspotential des Eingangs.
Die zwei Adern im Schirm übertrugen das eigentliche Signal und das Bezugspotential zur quasisymmetrischen Eingangsstufe.

Die Eingangsstufe habe ich im Rahmen meines kompromisslosen Massekonzepts ebenfalls mit einem massiven Masseanschluss versehen.

Bei den Sicherungen ging ich auf Nummer sicher: Der Verstärker besaß ein Hauptsicherung gleich nach der Kaltgerätebuchse, für jeden Transformator eine eigene Sicherung, und vier Sicherungen auf der Sekundärseite der Transformatoren. Die Hilfsstromversorgung bekam ebenfalls eine eigene Sicherung.

 

Um den Verstärker mit einer vernünftigen Last testen zu können, wickelte ich Widerstandsdraht (2 Ohm) auf eine Lochrasterplatine und versenkte den Aufbau in einem Wasserbad.

In einem ersten Test lieferte ein Kanal ca. 30sec. nicht ganz 600W Ausgangsleistung ohne erkennbare Verzerrung. Die Eingangsleistung betrug dabei ca. 850W.

 

Zur Steuerung konstruierte ich eine Platine um einen Atmel-Mikrocontroller.

Überwacht wurden der Zustand des Gleichspannungsschutzes, die Temperaturen im Gehäuse (über LM35-Tempertursensoren), die Versorgungsspannungen und die Ausgangsspannungen. Die Ausgangsspannungen wurden zuerst über einen Spannungsteiler auf verarbeitbare Werte reduziert. Damit auch bei geringer Aussteuerung sinnvolle Werte gemessen werden konnten, wurde ein aktiver Gleichrichter notwendig. Die vielen analogen Signale machten einen Analogmultiplexer notwendig.

Der Mikrocontroller konnte die Lautsprecher und die Ringkerntransformatoren zu- und abschalten. Zwei Lüftersteuerungen regelten die Geschwindigkeit der Lüfter vor den Kühlkörpern. Dabei war darauf zu achten, dass es sich um bürstenlose Motoren handelte und daher nicht mit einer einfachen PWM gearbeitet werden konnte.

Als Gimmick integrierte ich einen Steckplatz für ein Bluetooth-Modul und eine Schaltung um den Controller über Bluetooth resetten zu können.

Ein LCD mit RGB-Hintergrundbeleuchtung und ein Drehimpulsgeber formten die Benutzer-Schnittstelle.
Auf der Platine zeigten einige LEDs die Zustände der Funktionsblöcke an.

 

Das Bluetooth-Modul und ein Bootloader auf dem Controller ermöglichten es mir den Verstärker zu programmieren ohne physikalischen Kontakt mit der Platine haben zu müssen.

Das Aktivieren des Bootloaders über Bluetooth funktionierte nicht sofort. Die Schaltung, die den Hardware-Reset auslösen hätte sollen, hätte nur funktioniert wenn es möglich gewesen wäre die Baudrate des Bluetoothmoduls im Betrieb zu verstellen. Die Verstellung der Baudrate konnte aber nur über die UART-Schnittstelle des Bluetoothmoduls realisiert werden, nicht über ein Bluetoothkommando.
Um das Problem zu lösen aktivierte ich den Watchdog des Controllers. Beim Empfang eines bestimmten Zeichens über die UART-Schnittstelle löste dieser einen Reset aus. Danach konnte der Controller über den Bootloader neu programmiert werden.

Ich spielte mit dem Gedanken eine Nutzerschnittstelle zu integrieren, die es ermöglicht Daten des Verstärkers mit dem Handy auszulesen.

 

Zuerst musste ich allerdings noch einen Designfehler lösen: Ich benutzte das erste mal den großen 8Bit-Controller Atmega2561 und ging davon aus, dass er sich wie der etwas kleinere Atmega2560 über die SPI-Schnittstelle programmieren ließe.
Der Atmega2561 muss allerdings über andere Pins programmiert werden. Es dauerte eine Zeit lang bis ich meinen Fehler gefunden hatte.

 

Der Zusammenbau war durchaus zeitintensiv.

 

Das LCD zeigte alle Messwerte und einen Aussteuerungsbalken an. Nach einer gewissen Zeit aktiviere sich eine Art Bildschirmschoner. Die Hintergrundfarbe des Displays änderte sich mit der Temperatur der Endstufen.

 

 

Auf der Eingangsstufe ergänzte ich später noch zwei Kondensatoren. Da es zuvor beim Ausschalten meist zu einem recht unschönen Ausschalt-Ploppen kam.
Des Weiteren erhöhte ich die Verstärkung etwas um mit einem normalen Mischpult-Pegel den Verstärker voll aussteuern zu können.

 

Außerdem tauschte ich die Potentiometer der Lautstärkeregelung. Die Standardmodelle von Reichelt waren sehr wacklig und leichtgängig. Also bestellte ich spezielle Audiomodelle von Farnell, die mechanisch sehr viel stabiler waren und ein viel besseres Gefühl vermittelten.

 

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