Amplifier S1
Bei diesem Projekt handelt es sich um eine Vor- & Endverstärker-Kombination für HiFi-Anwendungen.
Beim Design standen eine solide Qualität (im Sinne von Klangqualität), vor allem eine kleine Baugröße und ansprechendes Design & Verarbeitung im Vordergrund. - 1cm massive Alu-Frontplatte, komplettes Gehäuse in Aluminium gekapselt, Taster & Potis massiv Metall, ebenso die Füße - Anschlussbuchsen durchgängig vergoldet - das sind Eigenschaften, die man heute im Laden höchstens im High-End Bereich erwerben kann. Da "wabbelt" kein Poti und die Kurzhubtasten machen nur leise "Klack", wenn Ihre Betätigung das Schalten eines Relais bewirkt.
Die Kombination besteht aus dem Vorverstärker „Preamplifier S1“ und dem Endverstärker „Poweramplifier S1“, wobei der Namenszusatz S für „small“ steht.
Der Vorverstärker stellt 4 HighLevel Eingänge plus Anschluss für einen Recorder (Rec + Playback) zur Verfügung. Ein Phono-Eingang ist nicht vorgesehen. Die Lautstärke und Balance-Einstellung erfolgt konventionell über Drehregler. Eingangswahl und der Ein-/Ausschalter sind als Taster ausgeführt. Auf eine Höhen & Tiefenregelung oder gar Loudness wurde bewusst und konsequent verzichtet.
Der Endverstärker stellt eine Leistung von ca. 2 x 57W sinus an 4 Ohm und 2 x29W sinus an 8 Ohm zur Verfügung.
Preamplifier S1
Der Vorverstärker ist weitgehend konventionell aufgebaut. Die Eingangswahl erfolgt über Relais, die Verstärkung erfolgt in zwei Stufen durch Operationsverstärker mit zwischengeschaltetem Volume & Balance – Potis. Der Ausgang zum Endverstärker erfolgt ebenfalls über ein Relais, um eine Ein- & Ausschaltverzögerung zu realisieren und Transienten vom angeschlossenen Endverstärker fernzuhalten.Bei der Bauteileauswahl in dieser Stufe wurden mit Hinblick auf die Klangqualität keine unnötigen Kompromisse eingegangen. Hochwertige Operationsverstärker & passive Bauteile, Potis von Alps, vergoldete und vom Gehäuse isolierte Chinch-Buchsen.
Für den Volume-Regler wurde ein lineares Poti verwendet, um den Gleichlauf der beiden Kanäle L+R zu optimieren. Die lineare Potikurve wird durch die entsprechende Beschaltung in eine quasi-logarithmische Form gezwungen. In der Praxis hat sich dieses Konzept als konkurrenzlos gut bewährt. Selbst bei kleinsten Lautstärken bis hinunter zur Hörschwelle sind keine Lautstärkeunterschiede zwischen dem linken und rechten Kanal wahrnehmbar - was man von Standard-logarithmischen Potis aus der Grabbelkiste nicht erwarten kann.
Die Bedienung des Gerätes erfolgt über Kurzhub-Tasten an der Frontplatte. Für die Auswertung der Tastendrücke und Steuerung der Relais wurde ein kleiner Microcontroller aus der Microchip PIC Serie (16F690) spendiert. Die Software hierfür ist in Assembler erstellt und steht zum Download sowohl als Quelltext als auch als HEX zur Verfügung. Der jeweils eingeschaltete Kanal wird über zurückgesetzt montierte LEDs, deren Licht über Lichtleiter zur Frontplatte transportiert wird, signalisiert. Der jeweils zuletzt ausgewählte Zustand (Eingangswahl) wird im EEProm des Prozessors gesichert und beim nächsten Einschalten wieder geladen.
Der PIC wertet ebenfalls den Ein-/Aus-Taster aus. Beim Ausschalten sorgt der PIC für eine Deaktivierung der Eingangslogik, schaltet einen Teil des Netzteils stromlos und begibt sich dann in den Sleep-Modus, in dem nur noch ca. 1uA Strom fließt. Beim Einschalten erwacht der PIC aus dem Sleep-Modus und nimmt die reguläre Arbeit wieder auf.
Durch dies Maßnahme wird der Standby-Verbrauch auf ein Minimum reduziert, der komplette Teil des Netzteils, der für die Versorgung des Analogteils zuständig ist, wird im Sleep-Modus ausgeschaltet, so dass nur noch der 5V-Teil für die Versorgung des PIC am Netz hängt. Der Standby-Verbrauch bewegt sich daher im Bereich von unter einem Watt und wird im Wesentlichen durch die Leerlaufverluste des Trafos bestimmt.
Im Prototypen kam ein Standard Printtrafo zum Einsatz. Der Einsatz eines „ECO“-Trafos, wie er bei einigen Herstellern im Programm ist, könnte diesen Standy-Verlust noch weiter auf ca. 0,5W verkleinern.
Das Abschalten des Trafos für den Analogteil erfolgt über ein Solid-State Relais. Details sind dem Schaltplan zu entnehmen.
Das Gehäuse besteht im Wesentlichen aus Aluminium mit aufgesetzten Massivholz-Seitenteilen, die jedoch keine stabilisierende Rolle für das Gehäuse spielen sondern nur optische Funktion erfüllen.
Die Beschriftung in Front- und Rückplatte wurde eingefräst und mit schwarzem Lack ausgefüllt. Nach langem Hin- und Her ob die Frontplatte nun eloxiert werden soll oder nicht habe ich mich letztlich für eine klar lackierte Oberfläche entschieden, da hierbei der Glanz des gebürsteten Aluminiums besser zur Geltung kommt. In den Fotos ist ein Vergleichsfoto eloxiert- nicht eloxiert enthalten - mag jeder nach seinem Geschmack entscheiden.
Das Gehäuse des Prototypen ist zu 100% eine Einzelanfertigung. Sofern das jemand so nachbauen möchte ist eine halbwegs gut ausgestattete Werkstatt erforderlich. Gerne stehe ich für Fragen zur Verfügung.
Hier nun zunächst ein paar unkommentierte Bilder vom Bau (Klick auf ein Bild öffnet größere Ansicht)
Gehäusemaße sind 23x22x4,5cm (BxTxH), ohne Füße, Potis und Buchsen:
Platinen-Layouts für Netzteil, Analogteil, Poti-Platine und Eingangssteuerung: Layouts, Bestückungspläne
Schaltpläne: Schaltpläne
Software für den PIC (asm und HEX): Software
Zeichnung Frontplatte und Rückwand: Front & Rückseite
Ein paar Hinweise zur Elektronik: Die Bandbreite der Operationsverstärker wurde durch kleine keramische Kondensatoren bewusst eingeschränkt. Mit einem Oszilloskop am Verstärker-Ausgang und Rechteckgenerator am Eingang lässt sich so durch Probieren der optimale Wert ermitteln, bei dem das Überschwingen an den Flanken des Rechtecksignals minimal ist. Diese Kondensatoren sind im Layout nicht berücksichtigt sondern werden direkt auf die Platinenunterseite an die Pins der Operationsverstärker gelötet. Wer kein Oszi zur Verfügung hat nimmt am besten die Werte, die im Schaltplan angegeben sind.
Die Kontrollplatine, auf der der Mikrocontroller sitzt, ist mit einer In Circuit Programming Steckverbindung ausgestattet, was eine spätere Softwareänderung direkt in der Schaltung ermöglicht. Diese Steckverbindung kann auch weggelassen werden, wenn der Prozessor außerhalb der Schaltung programmiert wird.
Poweramplifier S1
Das Design des Endverstärkers wurde im Wesentlichen durch die recht geringe Baugröße bestimmt. Ziel war das optische Angleichen an den oben beschriebenen Vorverstärker. Das stellte von den Platzverhältnissen eine echte Herausforderung dar. Das Gehäuse ist bis zum Anschlag voll. (siehe Fotos)Als aktive Komponente wurde der Leistungs-OP LM3886 ausgewählt, der eine sehr ordentliche Wiedergabequalität ermöglicht und so manchem diskreten Design in Sachen Klangqualität etwas vormacht.
Die Beschaltung des LM3886 entspricht im Wesentlichen der Standard-Beschaltung lt. Datenblatt von National Semiconductor. Die erreichbare Ausgangsleistung reicht für HiFi-Beschallung des Wohnzimmers problemlos aus. Das Netzteil wurde mit 80VA Trafo pro Kanal und 10.000uF Siebung je Halbwelle großzügig dimensioniert und folgt dem ungeregelten Standard-Design.
Im Prinzip handelt es sich bei dem Design um zwei autonome Monoendstufen, die in einem Gehäuse untergebracht sind und unabhängig voneinander funktionieren.
Ein Relais im Ausgangszweig zu den Lautsprechern ist nicht vorgesehen und auch nicht erforderlich, da der LM3886 einen sehr guten Job bei der Unterdrückung von Transienten beim Aus- und Einschalten macht.
Aufgrund der bereits erwähnten Platzverhältnisse im Gehäuse konnten die Kühlkörper nur sehr klein (eigentlich zu klein) dimensioniert werden. Zwar bildet der Gehäuseboden aus Aluminium eine deutliche Vergrößerung der Kühlfläche, dennoch nehmen die Temperaturen im Dauerbetrieb bei höheren Lautstärken erhebliche Größenordnungen an. Aus diesem Grund wurde ein zusätzlicher Lüfter spendiert, der für eine aktive Kühlung der Leistungs-OPs sorgt.
Für die Steuerung kommt –wie schon im Vorverstärker- ein kleiner Microcontroller aus der Microchip PIC Serie -hier ein 12F675- zum Einsatz. Dieser übernimmt sowohl die On / Off Steuerung über einen Taster an der Frontplatte als auch die Temperaturüberwachung und Lüftersteuerung. Das Netzteil für diesen Steuerteil ist hier losgelöst von den Netzteilen des Analogteils (den Endstufen) ausgeführt und ständig am Netz. Da der PIC auch hier im OFF-Zustand in den Schlaf geschickt wird reduzieren sich die Standby-Verluste im Wesentlichen auf die Leerlaufverluste des Printtrafos in der Größenordnung <1W. Die Ringkerntrafos für die Endstufen werden erst beim Start des Verstärkers über ein Relais mit der Netzspannung verbunden.
Die Temperaturüberwachung erfolgt über einfache Halbleitersensoren KTY81 unabhängig für jede Endstufe separat. Dazu sind die Temperatursensoren in unmittelbarer Nähe zu den Leistungs-OPs auf den Kühlkörper geschraubt.(siehe Bild)
Der PIC wertet die temperaturabhängige Widerstandsänderung der Sensoren über den Spannungsabfall aus. Sobald eine Endstufe 50°C erreicht, startet der Lüfter und stoppt sobald die Temperatur wieder auf 45°C gesunken ist. Sofern die Temperatur 100°C erreicht, schaltet der Microcontroller die Stromversorgung der Endstufen ab, bis die Temperatur auf 90°C gesunken ist. In diesem Zustand blinkt die Power-LED, um dem Benutzer diesen Zustand anzuzeigen. Diese Begrenzung ist zwar nicht unbedingt erforderlich, da der LM3886 einen Überhitzungsschutz beinhaltet, wurde jedoch mit Rücksicht auf die anderen Komponenten und den Beutzer (Heißes Gehäuse!) implementiert.
Als Lüfter kommt ein 12 Volt Typ zum Einsatz, der in diesem Fall mit ca. 8 V betrieben wird. Auf eine Lüfter-(Drehzahl-)regelung wurde verzichtet, da der Lüfter in dieser Betriebsart sehr geräuscharm arbeitet. Im normalen Betrieb bei Zimmerlautstärke wird der Lüfter gar nicht erst eingeschaltet (zumindest mit meinen Lautsprechern nicht).
Hier nun wieder zunächst ein paar unkommentierte Bilder vom Bau (Klick auf ein Bild öffnet größere Ansicht)
Gehäusemaße sind hier 23x30,5x4,5cm (BxTxH), ohne Füße und Buchsen:
Schaltpläne: Schaltpläne
Software für den PIC (asm und HEX): Software
Zeichnung Frontplatte und Rückwand: Zeichnung
Wie klingt's?
Ich muss sagen, dass ich mit dem Ergebnis zufrieden bin. Die Kombination differenziert sehr gut, das räumliche Abbildungsvermögen ist wirklich sehr gut. Mitten und Hochtonbereich treffen meinen persönlichen Geschmack. Im Bassbereich würde ich mir eine etwas knackigere Response wünschen, was ich in erster Linie auf den Endverstärker schiebe - es mag aber auch sein, dass die Anpassung meiner Lautsprecher nicht ganz optimal ist - da gibt es noch ein bisschen zu probieren. - Wenn mal viel Zeit ist. Für den täglichen Gebrauch und Partylautstärke in meinem 40qm Wohnzimmer macht die Kombination jedoch einen guten Job.Für die Funktion der Schaltungen kann ich trotz sorgfältiger Prüfung keine Gewährleistung übernehmen. Da hier mit Netzspannung umgegangen werden muss sollte nur derjenige den Nachbau angehen, der weiß, was er tut! Nachbau und Nutzung also auf eigenes Risiko!