Netzteil-Tuning am Verstärker

Man liest immer wieder, dass jemand versucht, das Netzteil eines Verstärkers durch grössere Elkos zu tunen. Mit dieser Massnahme soll die "Stromlieferfähigkeit" verbessert werden. Dies wiederum soll die Dynamik erhöhen und eine saubere Impulsleistung ermöglichen und ausserdem generell dem Klang förderlich sein.

Dazu muss erst einmal die Funktionsweise eines Verstärkers und seine kritischen Punkte beleuchtet werden.
Als Grundlage nehmen wir einen Verstärker an, der mit normalen, bipolaren Endtransistoren bestückt ist, der 100W an 4 Ohm leistet, Mono ist, als Last einen realen Widerstand (Drahtwiderstand) von 4 Ohm sieht und einen Ruhestrom von 130 mA hat.


Hier ist ein prinzipieller Verstärker aufgezeichnet. Er besitzt einen Eingang, eine Masse, eine Gegenkopplung (Rückführung des Ausgangssignals), einen Ausgang mit dem Lautsprecher (bei uns ein reiner Widerstand) und den Speisungen Plus und Minus.

Der Eifachheit halber betrachten wir schaltungs- und speiseseitig immer nur den Plus-Teil.

Das zweite Bild zeigt eine Kurvenschar eines beliebigen Endtransistors. Die verschiedenen Typen unterscheiden sich im Wesentlichen dürch den maximalen Strom und die maximale Spannung. Die Kurvenform ist immer weitgehend gleich, sodass wir ohne weiteres diese als Beispiel heran ziehen können.


Das dritte Bild stellt den Sinus dar, wie vom Netztrafo her über den Gleichrichter zum Elko gelangt.


Jetzt nehmen wir an, dass wir dem Verstärker einen Ton mit der maximalen Leistung von 100W an 4 Ohm entlocken.
Da es sich ja um einen Sinuston handelt, sieht die Leistungskurve so aus, wie der Sinus, der vom Netztrafo kommt. Das ist aber reiner Zufall. Wir sehen aber daraus, dass es Momente hoher Leistung gibt, nämlich die Scheitelpunkte und es gibt Momente ohne Leistung, nämlich beim Nulldurchgang. Wenn wir jetzt eine Leistung von 100W annehmen, so ist das die Effektivleistung, also der Durchschnitt aller unendlich kleinen Ausschnitte aus dieser Kurve.
Oder anders gesagt, weil es Momente ohne Leistung gibt, der Durchschnitt aber bei 100W liegt, müssen die höchsten Punkte entsprechend höhere Leistungen aufweisen.

Diese Erklärung war nötig, damit klar wird, wie wir bei der Grundberechnung auf die Spannungen und Ströme kommen.
Prinzipiell ist ja die Leistung P = Spannung U mal Strom I.
Und weil wir erst P und den Widerstand R haben, müssen wir noch das ohmsche Gesetz R=U/I anfügen. Wenn wir diese beiden kombinieren, bekommen wir letztlich I = Wurzel aus P/R. Damit wäre bei 100W und 4 Ohm der Strom 5A und die Spannung 20V.
Da wir es aber mit dem Spitzenwert zu tun haben (den müssen wir ja auch liefern können), ist der Strom und auch die Spannung am Scheitelpunkt um jeweils Wurzel 2 mal grösser, also 28,3V Spannung und 7,07A Strom.
Und weil wir noch einen Ruhestrom von 0,13A in der Schaltung angenommen haben, wird der Spitzenstrom 7,2A werden. Unser Netzteil muss demnach mindestens diese Spannungen und Ströme liefern können.

Nun sehen wir uns mal Bild 2 mit den Transistor-Kurven an.
Die unterste Kurve zeit einen Transistor, der wenig ausgesteuert ist, die oberste einen stark ausgesteuerten Transistor. In der Vertikalen ist der Transistorstrom aufgezeichnet, in der Horizontalen die Spannung, die über dem Transistor liegt.
Betrachten wir einfach mal die unterste Kurve, so stellen wir fest, dass ab einer Minimalspannung der Stom unverändert bleibt, auch wenn sich die Spannung über dem Transistor ändert. Mit höherer Ansteuerung (obere Kurven) ist die Kurve nicht mehr so flach, doch würde sie bei höherer Spannung als den hier aufgezeichneten 3V ebenfalls sehr flach.

Der Transistor in unserem Verstärker leitet in Abhängigkeit seiner Ansteuerung (Tonsignal) den Strom aus dem Netzteil zum Ausgang und damit durch den Lautsprecher. Solange ein genügend grosser Rest an Spannung am Transistor bleibt, macht er eigentlich genau das, was wir wollen. Erst wenn eine Minimalspannung unterschritten wird, beginnt er ein "Eigenleben". Daher müssen wir bei der Auslegung einer Schaltung dafür sorgen, dass eine genügend grosse Restspannung über dem Transistor bleibt.
Andererseits stört uns eine Spannungsänderung wenig, solange die Minimalspannung nicht unterschritten wird. Die Auswirkung der Betriebsspannung auf das Ausgangssignal ist bei genügend grossem Rest weitgehend zu vernachlässigen. Und für die letzten Beeinflussungen haben wir ja die Gegenkopplung, die Unzulänglichkeiten auf ein unhörbares Mass reduziert.

Nun überlegen wir mal, was passiert, wenn wir eine maximale Ausgangsspannung von 28,3V haben möchten. Da wir dafür auch einen entsprechenden Strom liefern müssen, muss der Transistor entsprechend stark ausgesteuert sein, wir landen also bei einer oberen Kurve. Das bedeutet, dass wir (mal angenommen) eine Restspannung über dem Transistor von 3,7V haben müssen, um noch im flachen Teil der Kurve zu bleiben. Also muss die Speisespannung 28,3 plus 3,7 = 32V mindestens betragen. Und das Netzgerät muss zu jedem Zeitpunkt in der Lage sein, 7,2A zu liefern.

Jetzt betrachten wir zwischendurch mal das Netzteil.
Wir haben da den Sinus vom Trafo her. Die aufgezeichnete Sinuskurve sähe so nach dem Gleichrichter aus, wenn kein Kondesator (Elko) nachgeschaltet wäre.
Mit Elko wird dieser beim Einschalten (im Idealfall) dem ersten Sinus entsprechend hochgeladen bis zum Scheitelpunkt (erste violette senkrechte Linie). Hier ist die Ladung abgeschlossen. Weil aber die Schaltung Strom verbraucht, wird der Elko entladen, was mit der roten, leicht schrägen Linie angedeutet ist. Diese Entladung dauert so lange (violette bis blau-violette Linie), bis die Sinusspannung höher wird als die Elkospannung nach dieser Entladephase. Die beiden horizontalen grünen Linien deuten den Spannungsabfall durch die Entladung an.
Im Zeitraum der blauvioletten zur blauen Linie wird der Elko wieder geladen.

Sicher sind nun zwei Dinge: Erstens darf die untere grüne Linie nicht die vorher angenommene Spannung von 32V unterschreiten, damit die Schaltung noch einwandfrei funktioniert und zweitens ist der Spannungsabfall (rote Linie) kleiner, wenn der Elko eine grössere Kapazität aufweist.
Die Folge einer grösseren Kapazität ist aber auch, dass durch den geringeren Abfall der Spannung die Sinuskurve erst später die verbliebene Spannung kreuzt und damit die Ladung erst später und für kürzere Zeit einsetzt.

Gehen wir nochmals zurück zum Verstärker und nehmen an, wir hätten einen sehr tiefen Ton, den wir mit den 100W effektiv wiedergeben möchten. Wir können dann nämlich annehmen, wir müssten über viele Netzspannungszyklen einen Strom von 7,2A an den Verstärker liefern.

Wenn man von der Tatsache ausgeht, dass ein Kondensator von 1 Farad bei einem Strom von 1 A 1 Sekunde braucht, um eine Spannungsänderung von 1V zu "erleben", kann man die Sache hier umrechnen. Nehmen wir mal an, wir möchten den Spannungsverlust (die beiden grünen Linien) bei 1V belassen, also Umin = 32V, Umax = 33V, so müsste bei einer Aufladung von 100mal pro Sekunde eine Kapazität von 1F:100 (Ladungen)x7,2(A) = 72000 Mikrofarad eingesetzt werden.

Dummerweise muss der Netztrafo und der Gleichrichter aber nicht nur dauernd 7,2A liefern, sondern der Strom stammt ja die grösste Zeit aus dem Elko (violett bis blau-violett) und nur während der kurzen Zeit von etwa 1mS wird der Elko geladen. Logischerweise muss er nun die ganze Energie der übrigen 10mS erhalten, die er ja abgeben soll. Das bedeutet nichts anderes, als dass der Trafo- und Gleichrichterstrom 11 mal (10 mal zum laden und einmal der Stromverbrauch des Verstärkers) die 7,2A sein muss. Diese fast 80A verkraftet der Elko nicht, der Gleichrichter explodiert, der Netztrafo kann das nicht liefern, die Zuleitungen würden glühen und auf der Netzzuleitung wären Stromimpulse von 8A feststellbar.

Wer also einfach mal die Kapazität erhöht, bringt den Gleichrichter in arge Schwierigkeiten und der Trafo macht das auch nicht mit.
Die Alternative ist erstens, einen Spannungsabfall von 2V zuzulassen. Damit nimmt die Ladezeit deutlich zu und die Kapazität wird kleiner. Die kleinere Kapazität benötigt zur Ladung einen kleineren Strom und durch die verlängerte Ladezeit wird der Strom ebenfalls verringert. Nur muss dann halt die Trafospannung um rund 0,7V höher sein, damit die Minimalspannung nicht unterschritten wird.

Aber treiben wir noch weitere "Studien". Ein guter Elko von 80'000 Mikrofarad hat einen inneren Widerstand von etwa 5 Milliohm. Angenommen, wir hätten den Ladestrom von 72A, so wäre das eine Impulsleistung auf dem Elko von rund 25W und bei 1mS Ladezeit gegenüber einer Laderate von 10mS eine mittlere Leistung von 2,5W. Damit wird der Elko aufgeheizt. Er verträgt übrigens maximal 50A Ladestrom.
Oder sehen wir uns die Zustände auf einem Print an. Angenommen, der Gleichrichter und der Elko sässen auf einem Print mit einer Leitungslänge von 10cm und einer Leiterbahnbreite von 3mm. Das ergäbe einen Querschnitt von 0,1 Quadratmillimeter, sodass Dauerströme von 2A schon obere Grenze wären. Und der Leitungswiderstand mit 0,017 Ohm wäre für solche Ströme undenkbar.

Und es gibt noch weiteres, das es zu beachten gilt: Die Dynamik ist der Unterschied der lautesten zur leisesten Stelle eines Musikstücks. Diese ist so auf der CD und wird durch nichts auf der Welt darauf verändert. Wenn der Verstärker mit dem Original-Elko unter Last einen Spannungsverlust von 5V hatte und mit dem neuen, grösseren einen solchen von 3V (besser ist wegen Trafo, Gleichrichter und Leitungen nicht möglich), so ergibt dies eine Leistungssteigerung von 0,78dB, was unter der Hörschwelle liegt und im Musikprogramm nicht festgestellt werden kann. Und mit Dynamik hat es nichts zu tun, denn es können sowohl die leisen als auch die lauten Passagen um 0,78dB lauter sein.

Und die Stromlieferfähigkeit eines Netzteils kann höchstens dazu benutzt werden, dass bei defekter Kurzschlusssicherung der Schaltung bei einem versehentlichen Kurzschluss der Lautsprecherleitung die Endtransistoren durch die Wohnung fliegen.
Ein höherer Strom kann nur fliessen, wenn der Lastwiderstand niederohmiger würde (wie soll er?) oder die Spannung höher wäre (wie soll sie?). Ausserdem schaltet die Stromüberwachung (wenn sie funktioniert) den Verstärker bei Überschreiten einer bestimmten Schwelle ab.

Und wenn man hergehen würde und behauptet, man könnte jetzt durch den geringeren Spannungsabfall die Speisespannung reduzieren, so wäre der Nutzen null. Oder man könnte den Ruhestrom erhöhen. Das hat mit dem Elko nichts zu tun, denn im Ruhefall reicht die Stromlieferfähigkeit alleweil aus. Es geht ja auch niemand her und bestellt für sein Kind einen LKW voll Popcorn, nur dass immer genügend Nachschub da ist. Das Kind isst auch nicht mehr, wenn Wagenladungen angeboten werden.

Und auch die Aussage, dass der Netzteilelko in Reihe mit dem Lautsprecher liegt, ist nur bedingt richtig. Solange eine genügend grosse Restspannung am Transistor liegt, wirkt sein hoher Ri (die flache Kurve in Bild 2) weit mehr als der relativ geringe des Elkos. Damit ist auch diese Aussage nicht stichhaltig. Sicher können am Elko Spannungsabfälle der Tonspannung auftreten. Aber diese sind relativ gering und werden durch die Gegenkopplung der Schaltung vollständig aufgefangen.

bez. besagter Störungen, insbesondere beim Einsatz von schnellen Shottkys: Eine altbekannte Machenschaft sei hier mal erwähnt parallel zu jeder der vier Brückendioden einen 100nF zu schalten um selbige zu reduzieren und die Schalteckchen abzurunden