Chipverstärker: Analyse der Beeinflussung durch u.A. den geometrischen Aufbau

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KSTR
Inventar
#1 erstellt: 31. Mrz 2006, 15:30
Hallo Chipverstärkerfreunde,

Ich möchte mal etwas Licht in das Dunkel bringen, warum und wie das Verhalten (wegen mir auch Klang) durch die Details des geometrischen Aufbaus und durch die Eigenschaften der Bauelemente beinflusst werden kann, wobei die Grösse der Beeinflussung aber schlecht abzuschätzen und auch nicht einfach zu messen ist. Ausserdem sei bemerkt, dass es sich um meine persönlichen Überlegungen und Erfahrungen handelt, ich streite also niemandem ab, andere Überlegungen und Erfahrungen und andere Resultate zu haben....

Ich nehme jetzt das Foto vom Aufbau von Micks GainClone als Beispiel.

Ein Schlüsselproblem ist die Induktivität, die vorhandenen Magnetfelder und die davon kommende Beeinflussung. Das Induktionsgesetz setze ich jetzt mal als bekannt voraus: Strom in einem geraden Leiter erzeugt ein zylindrisches Magnetfeld um den Leiter, Strom durch eine Leiterschleife erzeugt ein Magnetfeld vor allem senkrecht zur Schleifenfläche. Je höher der Strom, umso stärker das Magnetfeld. Und umgekehrt erzeugt jedes veränderliches Magnetfeld einen Strom, wenn die Feldlinien den Leiter schneiden, wieder besonders stark wenn ein Magnetfeld eine Leiterschleife senkrecht durchflutet.

Ziel einer Optimierung in dieser Hinsicht sind zwei Dinge:
1) Minimierung der Magnetfelder und Induktivitäten durch Minimierung der Schleifen, d.h. wir wollen keine Spulen bauen.
2) Minimierung der Beinflussung andere Stromkreise durch geometrische Entkopplung der Magnetfelder, d.h. wir wollen keine Transformatoren bauen.

Wo haben wir also Schleifen und Magnetfelder? In dem Bild sieht man deutlich die nennenswerte Schleife, die sich durch die Anordnung der grossen Pufferelkos ergibt, das sind mehrere Quadratzentimeter. Das sich ergebende Feld steht in diesem Falle also senkrecht, im Bild. Ein weiteres Magnetfeld entsteht durch den Wickel der Elkos, diesmal entlang der Elko-Achse, also quer im Bild. Und ein drittes Feld steht senkrecht zu Chipoberfläche und wird erzeugt von der internen Verdrahtung des Chips und Leiterführung im Chip selbst (und das können wir nicht ändern). Es besteht also in jede Raumrichtung ein u.U. starkes lokales Feld (speziell das senkrechte Feld ist auf jeden Fall stark), das ist also sehr unglücklich.

Denn jede Verdrahtung z.B. der Gegenkopplungswiderstände, die einen kleine Schleife bildet und von einem Feld durchflutet wird, nimmt damit diese Energie auf, deswegen ist diese Verdrahtung wie von den Usern beschrieben so empfindlich.

Aber es geht noch weiter. Es wurde (korrekterweise) berichtet, dass Kohlewiderstände hier oft besser klingen als Metallfilmer. Das liegt aber nicht direkt an der Beeinflussung des (von der Beschaltung her) fliessenden Stroms durch die Eigeninduktivität der Widerstände, die ja intern wendelförmig aufgebaut sind (ausser bei Spezialtypen), sondern daran, dass bei Kolhlewiderständen weniger Länge der Widerstandsschicht benötigt wird, weil Kohle hochohmiger ist als Metall. Weniger Länge bedeutet weniger Umdrehungen der Wendel. Jetzt kommt aber der Transformatoreffekt ins Spiel, weil ein externes Magnetfeld durch die entstandene Spule fliesst, und mehr Windungen bedeuten grösseres Übersetzungverhältnis. Die obigen Stromschleifen (eine Umdrehung) sind die Primär-Wicklung, die dutzenden Windungen der Widerstände die Sekundärwicklung. Deshalb könnten hier nennenswerte Induktionsspannungen enstehen, die die Gegenkopplung stören.

Woher kommen die Wechselströme, die die Magnetfelder erzeugen? Bis auf den Bereich, in dem der Verstärker in Class-A läuft (ein winziger Bereich bei Chip-Amps), enstehen bzw. ändern die Ströme in der positiven bzw. negativen Versorgungsleitung jeweils nur nennenswert bei der positiven bzw. negativen Halbwelle, bzgl. Masse, d.h. die Versorgunsströme treten gleichgerichtet auf. Dadurch treten auch bei z.B. einem tieffrequenten Sinussignal trotzdem hohe Frequenzen bei den Strömen auf, nämlich in dem Moment, wo die Welle ihren Nulldurchgang hat oder vielmehr den Class-A-Bereich verlässt. Je hochfrequenter (schneller) die Stromänderung erfolgt umso grösser auch die parasitären Auswirkungen auf andere Stromkreise, abgesehen natürlich von der absoluten Stärke.

Jetzt treten u.U. konkurrierende Effekte auf. Je besser d.h. schneller die hochfrequente Pufferung am Chip funktioniert, umso stabiler sind seine Spannungsverhältnisse und umso sauberer kann er arbeiten. Dadurch werden aber die Impulsströme stärker und damit die beschriebenen Effekte, falls sowohl gössere Schleifen als auch nennenswerte Einkopplung bestehen.

Ein weiterer Effekt ist, dass die enstehenden (und/oder vorhandenen Bauteil-)Induktivitäten mit allen möglichen Kapazitäten Schwingkreise bilden können, dabei kommt auf zwei Dinge an, ob sich das auswirkt oder nicht: Frequenz und Güte. Je höher die Güte, die mit fallenden Wirkwiderständen steigt, umso schlechter wird es, weil die Amplitude und die Dauer der angeregten gedämpften Schwingung steigt, das ist klar. Bei den Frequenzen ist klar, dass sie auf jeden Fall stören wenn sie im Audiobereich liegen, aber auch wenn sie oberhalb liegen, kann das Auswirkungen haben, wenn dadurch die Stabilität der Schaltung leidet. Erst wenn sie deutlich oberhalb der Bandbreite des Verstärkers liegen, spielen sie keine Rolle mehr. Deshalb macht man die Induktivitäten so klein wie möglich, damit man möglichst in dem unkritischen höchsten Frequenzbereich landet. Das kann z.B. ein Grund sein, warum kleinere Elkos mit weniger ESL besser klingen als grosse, evtl. abgesehen vom Bassbereich.

Zusammenfassung:
1) es kommt bei der Abblockung der Versorgung mit Elkos oder der sonstigen Beschaltung nicht primär darauf an, wie nahe dies am Chip geschieht (solange es keine Dezimeter sind) sondern allein auf die Schleifenfläche, die von den tatsächlichen Strömen durchflossen wird oder von einkoppelnden Magnetfeldern durchflossen wird. Die Fläche ist zu minimieren, am besten wenige Quadratmillimeter.
2) Das was dann noch übrig ist, kann in der Auswirkung weiter mininiert werden, wenn man direkt darüber eine parallelgeschaltete deckungsgleiche Schleife legt, in der der Strom andersherum fliesst bzw induziert wird. Mit dem Trick -- gegensinnige Felder heben sich auf -- kann man auch den ESL von Kondensatoren reduzieren.
3) die immer vorhandenen Restschleifen so anordnen, dass sie aufeinander senkrecht stehen wenn sie örtlich beieinander liegen, damit kann also bis zu drei Schleifen recht sauber entkoppeln. Generell die Verdrahtung windschief machen, d.h. nicht parallel und nicht kreuzend. D.h. trennbare Stromkreise auch trennen und getrennt verlegen/optimieren (die dazu notwendige Überlegung, welche Ströme zusammengehören und welche nicht, ist das A & O und die eigentlich Kunst bei der Konstruktion der Verdrahtung).


Bei der Konstruktion der Netzteile und Verkabelung gilt entsprechendes: Schleifenfläche minimieren, Ströme unabhängig machen, Frequenzen hoch & Güten runter, ....
ESR ist weniger das Problem, sonder ESL und Verlauf der Reaktanz allgemein, deswegen braucht man schon hohe Kapazität, damit diese auch in Bässen klein bleibt. Stromversorgungen entwickelt man am besten rückwärts, hier also vom Chip weg zum Trafo.


Ich erarbeite im Moment die Grundlagen einer in dieser und auch sonst vielerlei Hinsicht nach meinem Geschmack durchoptimierten Version eines Chip-Amps mit dem LM3886, denn der Chip hat evtl. noch deutlich mehr Potential als er in der üblichen Beschaltung eh schon hat.

Werde euch auf dem Laufenden halten.

Grüße, Klaus
++Stefan++
Stammgast
#2 erstellt: 31. Mrz 2006, 19:56
Als Physik Lk-ler aber bastel newbie habe ich mich beim Aufgabenrechnen schon über ein paar induzierte mv Gefreut.
Ich kann mir überhaupt nicht vorstellen, dass bei einer "Windung" derart hohe Spannungen Induziert werden, dass sich am Ausgang etwas verändert, wennauch der gain relativ hoch ist.
Momentan sieht es jedenfalls für mich so aus, als wären die von dir beschriebenen Effekte so wenig relevant wie der Skinn effekt bei Lautsprecherkabeln.
KSTR
Inventar
#3 erstellt: 01. Apr 2006, 11:55
Hallo Stefan,

Beim Skin-Effekt gebe ich dir völlig recht, den gibt es zwar, aber er ist für LS- und erst recht für sonstige Signalleitungen im Audiobereich meist vernachlässigbar, also selbst wenn der Widerstand für 20kHz auf das doppelte gestiegen sein sollte -- dazu braucht man aber schon sehr dicke Leiter, die dann bereits so gut leiten, dass die relative Änderung (auch die Phasenverschiebung), absolut gesehen, keine Rolle spielt. Bei 20kHz und Kupfer ist die leitende Schichttiefe etwa d=0.3mm (wenn ich mich nicht verrechnet habe), damit braucht man für eine nennenswerte Stromverdrängung schon einen Durchmesser von weit über 1mm. Bei eher praxisrelevanten 5kHz ist d schon doppelt so gross, der Effekt ist also selbst mit 4mm^2 oder 6mm^2 Massivleiter immer noch im insignifikanten Bereich -- relativ betrachet, absolut erst recht.


Was aber nun den von mir beschriebenen Induktionseffekte angeht, ist der primäre schon tatsächlich relevant. Also der, wenn eine recht grosse Leiterschleife mit dem Gegenkopplungswiderstand direkt in der Nähe und womöglich parallel zu der Schleife liegt, die von der Verdrahtung der Pufferkondensatoren gebildet wird. Ich habe in 15 Jahren schon genug Schaltungen mit Power-OpAmps gebaut (auch kritischere Anwendungen wie Audio) um zu wissen und gemessen zu haben, dass sich das massiv auswirken kann, z.B. bei unglücklichem Platinen-Layout. Es muss ja nicht gleich zum Schwingen kommen, eine Verschlechterung des dynamischen Verhaltens reicht schon, eben auch u.U. selbst dann, wenn es ausserhalb den Audiobandes liegt, dazu genügen durchaus einige störende mV am hochohmigen Summationspunkt des OP. Die Felder kann man z.B. mit einer Feldsonde und einem empfindlichen Oszilloskop oder Spektralanalysator messen.

Und nicht umsonst wird in den Datenblättern und Applikation Notes vor solchen Störeffekten gewarnt, siehe das DB vom LM3886 (Seiten 7, 15) oder die AppNotes #01 und #19 von Apex, auch wenn natürlich nicht immer das so klar als Induktionseffekt beschrieben wird -- und weil diese Leute auch davon ausgehen, dass der Designer diesen einfachen Fehler ja eh nicht (mehr) macht -- hat bei mir auch eine Weile gedauert, learning by loosing...



Noch was anderes: Es wird öfter bemerkt, dass Chipverstärker (ohne lokale Puffer- oder Gainstufe) in der invertierenden Beschaltung schlechter klingen. Auch das liegt nicht am OP selbst (haben praktisch immer besseres Verhalten -- keine Common-Mode Verzerrungen -- in der invertierenden Betriebsart) sondern daran, wie und wo entlang die AC-Ströme im Gesamtverbund im Kreis fliessen.

Gehen wir vom Ausgangspin des Vorverstärker-OV aus vor. Der Strom fliesst dabei flogendermassen im Kreis (und das ist schon eine bereits idealisierte Betrachtung):
VV-OP-Ausgang -> Signalleiter des Verbindungskabels -> Einkopplungs-R des PowerOV -> Gegenkopplungs-R POV -> Endstufe POV -> Versorgung POV -> Puffer-C POV-Netzteil -> Masse POV-Netzteil -> Masseleiter Verbindungskalbel -> Masse VV-Netzteil -> Puffer-C VV-Netzteil -> Versorgung VV-OV -> Endstufe VV-OV.

Bei nicht-invertierendem Betrieb:
OP-Ausgang -> Signalleiter des Verbindungskabels -> Einkopplungs-R des PowerOV -> Masse POV-Netzteil -> Masseleiter Verbindungskalbel -> Masse VV-Netzteil -> Puffer-C VV-Netzteil -> Versorgung VV-OV -> Endstufe VV-OV. Und die Ströme sind ingsesamt wesentlich kleiner (höherer Eingangswiderstand). Der Leistungsteil ist nicht im Stromkreis, und wenn der POV eine saubere Sternmasse hat, gibt es auch keinerlei Beeinflussung durch den Leistungsteil.

Grüße, Klaus
KSTR
Inventar
#4 erstellt: 04. Apr 2006, 23:37
Hallo,

Zucker hat mich gebeten, mal ein paar verdeutlichende Skizzen zu zeigen, weil in Worten die Beschreibungen doch sehr schwerfällig sind, manchmal. Dem will ich gern nachkommen...


Zunächst mal ein Schaltbild wie es so typischerweise gezeichnet wird:

Der Lautsprecher ist (wie im folgenden weiterhin) vereinfacht als Widerstand gezeichnet, weiter sieht man die Gegenkopplung angedeutet. Was nun die Lastströme angeht, betrachtet man in einem solchen Bild die Sache meist so, dass eben der OPV eine Ausgangsspannung liefert, welche durch die Last einen Strom erzeugt, der nach "Masse abfliesst". Und die Stromversorgung speist den OPV halt "irgendwie". Eine detailierte Betrachtung ist mit dieser Form Schaltbild nicht möglich (und auch nicht nötig, denn es soll ja als Funktionsschaltbild betrachtet werden, dafür ist es auch voll i.O.)

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Eine Aufdröselung der Stromkreise mit Schwerpunkt auf den Schleifen sieht dann z.B. so aus, und das ist auch bereits eine Art Verdrahtungsplan:

Hier wurde der Fall eingezeichnet, wenn der OPV momentan eine positiven Ausgangsstrom liefert (deswegen die Richtung der Strompfeile). Dick gezeichnet ist der AC-Stromkreis, der dabei durchlaufen wird. Der wesentliche Stromlieferant für einen kurzen Strompuls ist der Pufferkondensator direkt am Chip, der Hauptspeicherkondensator am Netzteil und der Trafo selbst tragen zwar auch, aber weniger dazu bei. Die rote Fläche ist nun die Schleifenfläche, die ein Magnetfeld je nach Stärke des Strompeaks aufbaut. Die grüne Fläche ist eine Schleife (aber nicht die einzige), über die eine Beeinflussung der Gegenkopplung passieren kann, wenn diese Schleifen zum einen groß und eben nicht räumlich entkoppelt sind.

Die gezeichnete Netzteilvariante (mit gesplitteten Massen) erlaubt hier mal eine genaue Betrachtung der Ströme. Denn wie schon im Eingangsbeitrag beschrieben, findet speziell bei Chip-Verstärken mit niedrigen Ruheströmen durch ihren weitestgehenden Class-B-Betrieb eine Halbweg-Gleichrichtung des Nutzsignals im Netzteil statt: positive Ausgangsströme fließen praktisch allein durch die positive Versorgungseite des Netzteils, negative entsprechend allein durch die negative Seite. Je nachdem, wie scharf der Chip vom Class-A- in den Class-B-Zustand überleitet (in der Nähe der Nulldurchgänge des Ausgangstroms), enstehen durch die Gleichrichtung starke Oberwellenanteile im Netzteilstrom, also genau in der betrachteten roten Schleife. Von daher muss die Versorgung schon deshalb weit über den Audiobereich hinaus schnelle Stromänderungen möglich machen, also den Faktor 10-20 (200kHz-400kHz) sollte man schon als Untergrenze nehmen. Werden schnelle Stromänderungen durch Induktivitäten behindert, dann kommt es u.U. zu starken Übernahmeverzerrungen beim Verlassen des Class-A Bereichs (abgesehen von evtl. entstehenden Schwingkreisen mit relevanten Frequenzen und Güten). Dass je nach Polarität des Ausgangsstroms der Netzteilstrom verschiedene Stücke der Schleife durchläuft (im Bild ist nur der Fall für positiven Strom eingezeichnet), ist für die Einkopplung auf die Gegenkopplung des Verstärkers ebenfalls unglücklich.

Bisher war hier immer nur vom Ausgangsstrom die Rede, und auch nur dieser ist für die Betrachtung relevant. Die Gegenkopplung des Verstärkers ist jedoch spannungsbasiert, d.h. er schaut allein auf die Ausgangspannung. Mit einem Lautsprecher (=Energiespeicher) als Last ist nun der Zusammenhang von Strom und Spannung extrem komplex, will sagen: der Strom durch den Lautsprecher macht recht unabhängig von der Spannung was er will, in Richtung und Stärke und Zeitverhalten. Wenn jetzt dieser recht unkorrelierte Strom in die Spannungsgegenkopplung oder sonstwie auf den Eingang überspricht, ist das ziemlich verheerend für die Signalqualität, wesentlich schlimmer als bei reiner ohm'scher Last, wo sich Spannung und Strom immer und allzeit 1:1 entsprechen.

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Ein weiterer interessanter Fall ist die Brückenschaltung:

Wieder wurde der kreisförmige Strompfad bei positivem Ausgangsstrom (von OP1) gezeichnet. Hier liegen völlig andere Verhältnisse vor: "Masse" ist überhaupt nicht am Laststromkreis beteiligt, und es besteht im Netzteil Vollweg-Gleichrichtung des Ausgangsstroms. Bei dieser Schaltungsart ist es essentiell, dass ein schneller Strompfad von der positiven Versorgung des einen OPVs zu negativen Versorgung des anderen OPVs besteht, und umgekehrt, d.h. also über Kreuz, so wie mit C1 und C2 angedeutet. Zusätzlich sind Kondensatoren direkt über dem Chip ebenfalls sinnvoll, die Verdrahtung und die Dimensionierung ist aber kritisch, evtl. wird es durch diese Kondensatoren schlimmer (wenn induktive "Kriege" zwischen ihnen und den Über-Kreuz-Kondensatoren entstehen). Wenn man die Chips bis auf wenige Zentimeter aneinanderrückt, kommt man mit einem zentralen Pufferkondensator zwischen beiden aus, das ist immer die beste Variante. Zur "Masse", die braucht man hier nur dazu, damit man die Ausgangsspannung auf die halbe Betriebsspannung legen kann, nennenswerte Ströme fließen darauf nur bei invertierender OP-Beschaltung (komme ich gleich drauf zurück). Trotzdem wird man üblicherweise eine normale Netzteilschaltung wählen, aber die massive Pufferung muss eben nicht gegenüber "Masse" bestehen, sondern vom einen Rail direkt zum anderen.

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So, hier noch mal eine Skizze zum Signalstrompfad (zur Abwechslung), wenn der Chipverstärker in der invertierenden Betriebsart läuft, auch wieder bei positiver Aussteuerung des Vorverstärker-Ausgangs:

Da die Eingänge eines OPV (idealisiert betrachtet) ja stromlos sind, muss der Ausgang des Leistungs-OPV den Strom liefern, der zur der Ausgangsspannung des VV gehört (und der eben aus Sicht des Endverstärkes negativ ist, daher die Invertierung). Wie beschrieben fliesst dieser Strom AC-mässig über beide Versorgungen, und wenn es irgendein Problem damit gibt (oder wieder eine störende Induktion durch Leistungsströme), schlägt sich das nieder. Ausserdem will man die Gegenkopplung im Endverstärker möglichst niederohmig aufbauen, was hier aber zu Problemen führt, wenn der VV keine Lasten im Bereich weniger zehn oder hundert Ohm sauber treiben kann, bzw. weil die Daten des EV-OPV sich verschlechtern, wenn man die Gegenkopplung deswegen unnötig hochohmig machen muss. Die invertierende Schaltung ist nur mit einer lokalen Pufferstufe optimal (und man muss in jedem Fall die LS-Anschlüsse umpolen, damit die absolute Polarität stimmt).

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Zu guter Letzt noch etwas Spezielles: Eine Schaltung bzw. ein Verdrahtungsplan für einen sehr niedrig-induktiven Netzteil-Hauptspeicherkondensator, vollständig symmetrisch aufgebaut in diverser Hinsicht:

Im Prinzip gibt es zwei Stromschienen, die so nahe aneinander wie möglich gesetzt werden, wieder zur Minimierung der Schleifenfläche. Ausserdem sind die einzelnen Kondensatoren mit Y-Dämpfern in beiden Anschlussleitungen beschaltet, wodurch evtl. auftretende Querströme gedämpft werden und auch der (Durchgangs-)ESR kontrollierte Werte annimmt. Mit z.B. lauter 0.1 Ohm-Widerständen wird der Durchgangswiderstand (Hin- und Rückweg zusammen) auf 0.1 Ohm gehalten (und damit 1V Spannungsabfall bei 10A Durchfluss), die einzelnen Cs sind aber deutlich voneinander entkoppelt, und der ESR am Eingang und Ausgang ist mindestens jeweils 0.05 Ohm und wird stabilisiert. Die Gesamt-Induktivität, also der ESL, ist aber deutlich weniger als das rechnerische Viertel des Einzelkondensator-ESL, durch eine teilweise feldauslöschende geometrische Anordnung der vier identischen Kondensatoren:
Zum einen wird das Magnetfeld des Wickels durch gegenüberliegende Anordnung "auf Achse" teilweise ausgelöscht (das ist mit den vertikalen Pfeilen angedeutet), zum anderen wirken die Felder, die über die internen und externen Verdrahtungsschleifenflächen entstehen, gegeneinander. In der Zeichnung liegen diese Schleifen jetzt zwar in einer Ebene, aufgebaut wird das ganze aber so, dass sie 90° zur Grundfläche liegen, die Felder also quer verlaufen (wieder mit den horizontalen Pfeilen angedeutet). Diese teilweise Auslöschung wird maximiert, wenn man eine ganze Kette (gerade Anzahl) von den vertikalen Blöcken nebeneinander legt, also 4 oder 6 statt der 2 im Beispiel (gibt aber einen massiven Widerstandsverhau, je 4 pro Kondensator). Mit guten Elkos, also explizite Low-ESR/ESL-Typen, induktionsarmen Widerständen und passender Verkabelung (Star-Quad, oder mindestens verdrillt) zum Verbraucher bekommt man damit eine sehr schnelle Versorgungsschaltung hin.
Die Schaltung / den Aufbau hatte ich mal für eine schnelle Leistungspulser-Anwendung entwickelt (mit einem Avalanche-Transistor), wo niedrigster ESL bei kontrolliertem ESR gefordert war, allerdings in einer skalierten Version (nicht mit Elkos, für hohe Spannung und deutlich höhere Frequenzen als hier betrachtenswert sind).

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Ich möchte abschliessend nochmal erwähnen, dass diese Betrachtungen so verstanden werden wollen, dass nicht jede einzelne Maßnahme unbedingt messbar und hörbar zu einer objektiven Verbesserung führt, sondern lediglich umgekehrt das konsequente Nichtbeachten mehrerer der beschreibenen Effekte mit grosser Wahrscheinlichkeit zu einem suboptimalen Verhalten der Schaltung führen. Oder kurz: lieber gleich "auf Verdacht" es besser machen als vielleicht notwendig, damit ist man auf der sicheren Seite und das ist für den High-End- und den Selbstbau-Bereich auch eine legitime Einstellung, finde ich. Im konkreten Einzellfall muss man sich auch immer genau anschauen was Sache ist, allgemeingültige und immer funktionierende Patentrezepte gibt es nicht...

Grüße, Klaus


[Beitrag von KSTR am 05. Apr 2006, 00:06 bearbeitet]
Ultraschall
Inventar
#5 erstellt: 28. Apr 2006, 19:26
Alle Achtung Klaus. Supersauber.
(Zur Verdeutlichung wäre eine mechanische Skizze aber trotzdem ganz gut.)

Wie würdest Du die Elkos in einen "üblichen symetrischen" Netzteil mechanisch anordnen und verkabeln ?
(Netzteil für Endstufen mit dicken Elkos)

Habe schon mal über eine Sandwichvariante nachgedacht. (Zwei einseitige Platinen dicht übereinander montiert, gegensinnige fließende Stöme in den direkt gegenüberliegenden Leiterzügen...
Aber vielleicht hast Du was praktisch leichter zu realisierendes ?
KSTR
Inventar
#6 erstellt: 01. Mai 2006, 15:56

Ultraschall schrieb:
Wie würdest Du die Elkos in einen "üblichen symetrischen" Netzteil mechanisch anordnen und verkabeln ?
(Netzteil für Endstufen mit dicken Elkos)

Habe schon mal über eine Sandwichvariante nachgedacht. (Zwei einseitige Platinen dicht übereinander montiert, gegensinnige fließende Stöme in den direkt gegenüberliegenden Leiterzügen...
Aber vielleicht hast Du was praktisch leichter zu realisierendes ?

Ich nehme an, du meinst mit "üblichem symetrischem" Netzteil eines, wo die Masse bereits zusammengeführt ist. Das Prinzip ist immer dasselbe, zusammengehörige Ströme mit minimaler Schleifenfläche verlegen (d.h. kontrollierte, minimale Induktivität) -- bei bereits kombinierter Masse wird das umständlicher, weil die Masse ja abwechselnd positive und negative Versorgungsströme aufnimmt. Also muss man die Rails und die Masse kompakt zusammen verlegen (im ganzen System), was wiederum dumm ist, weil dann der Strom im einen Rail auf das andere induktiv übersprechen kann. Eigentlich eine "Todsünde" ist es, die Rails einer A/B-Ausgangstufe miteinander verdrillt, aber ohne ihre Masse in der Nähe zu verlegen -- in den Rails fliesst ja praktisch nie der gleiche Strom, es sind völlig verschiedene Stromkreise.

Platinenbauweise betrachte ich persönlich im Kleinserien-Gerätebau als "Seuche", und designe mit PCBs nur für (SMD-)Kleinsignal- oder HF-Gemüse. Netzteile/Leistungsstufen baue ich meist frei verdrahtet auf engen Raum, mit u.U. 3-dimensional angebrachten Lötleisten und mech.Befestingungsoptionen für die Teile. Dann richtet sich die Lage der Bauteile nach der optimalen Verdrahtung und nicht umgekehrt, wie es oft mit PCBs der Fall ist, wenn man nicht gerade doppelseitig bestückt und in 4-fach Multilayer unterwegs ist Und das Problem der gleichen Ebenen für sendende und empfangende Schleifen kann mit Platinen immer schlechter lösen als mit einem diskreten Aufbau.

Die Feld-Cancelling-Technik für parallelgeschaltete gleiche Kondensatoren muss man schon als äusserst nachgeordnete Tuningmassnahme begreifen, die nur dann was bringt, wenn der Rest der Schaltung/des Aufbaus auch damit konkurrieren kann (sonst wird es noch u.U. eher schlimmer, so manche Endstufe überlebt 100kHz-Rechtecke nur wegen ihres Netzteils mit begrenzter Strom-Slewrate). Und selbstverständlich darf man nicht die Felder verschiedener Kreise (z.B. der zwei Rails) sich überschneiden lassen, sonst koppelt man u.U. wieder unabsichtlich induktiv.

Aus all dem wird deutlich, dass ich ein Fan von komplett galvanisch getrennter Erzeugung der Rails bin, "Masse" ergibt sich erst am Massesternpunkt.

Grüße, Klaus (weiter an Grafiken für verschiedene Endstufen- und Versorgungsstrategien bastelnd...)
Mick_F
Stammgast
#7 erstellt: 20. Jun 2006, 13:28
Hallo Klaus,

interessanter Beitrag! Ich habe nie darueber nachgedacht, aber vielleicht sollte man sich tatsächlich mal Gedanken über eine Minimierung der Schleifenflächen machen. In der Tat gibt es in meinem geometrischen Aufbau eine Schleife, in deren Feld sich die meisten Bauteile befinden. Die Felder der Schleife in der Versorgung und der Rückkopplung liegen aber glücklicherweise senkrecht zueinander.

Kannst Du mal eine Abschätzung machen, wie gross die induzierten Spannungen eigentlich so sind? Es ist sicher richtig, dass es diese schleifeninduzierten Felder prinzipiell gibt, wieviel sie jedoch quantitativ ausmachen (und damit überhaupt ein Problem darstellen) ist mir intuitiv nicht so klar.


Gruss
Mick
Mick_F
Stammgast
#8 erstellt: 09. Aug 2006, 13:53
Der vollständigkeit halber hier noch mal ein Link: Ich habe, inspiriert durch Klaus, bei meinem letzten Chipverstärker-Design darauf geachtet, Schleifen zu vermeiden. Die Geometrie des Aufbaus ist hier zu finden.

Gruss
Mick
OneStone
Stammgast
#9 erstellt: 11. Sep 2006, 22:58
Hat hier eigentlich schon mal einer nachgedacht, wie schwach diese Felder sind und dass sich die E-Felder besonders bei relativ hochohmigen Schaltungen doch etwas stärker auswirken?
KSTR
Inventar
#10 erstellt: 13. Sep 2006, 13:44
Ein hochfrequenter Puls mit 10A auf einer der beiden Versorgungsleitungen erzeugt ein beträchtliches Magnetfeld, wenn eine ordentliche Schleifenfläche vorhanden ist, z.B. 25cm^2. Und genau dieser Fall kann in den Versorgungsleitungen einer Class-A/B-Endstufe auftreten.

E-Felder sind dagegen hier meist unkritisch, wenn man (wie empfohlen) mit den niedrigsten möglichen (d.h. treibbaren) Impedanzen arbeitet, möglichst unter 1kOhm. Ausserdem lassen sich E-Felder weit einfacher abschirmen, mit "shielding" (abschirmtes Kabel, an [AC-]Masse) oder "guarding" (dto, aber Schirmung am niederohmig getriebenen Signal).

Grüße, Klaus
OneStone
Stammgast
#11 erstellt: 14. Sep 2006, 11:01
Okay, wenn man es so sieht, dann hast du natürlich Recht. Der Strom sollte sowieso nie "um die Vorstufe herum" fließen, sondern möglichst im Lastteil direkt zugeführt werden, dann noch möglichst gerade, kurze Leiterbahnen machen, dann hat sich das Problem so ziemlich erledigt.
wodim
Gesperrt
#12 erstellt: 18. Aug 2008, 22:33
Hm, also Magnetfelder, die durch Lastströme erzeugt werden, dürften da wirklich weniger eine Rolle spielen - vielmehr Spannungsabfälle. Die zwar gering sind, aber mit verstärkt werden.

Schleifen können allerdings sehr gut Magnetfelder (Streufelder) "einfangen". Winzige Spannungen, die dann mit verstärkt werden.

Schleifen vermeiden, besonders in der Masseführung. Ich weiß, das ist leichter gesagt als getan.
K4m1K4tz3
Neuling
#13 erstellt: 06. Sep 2009, 13:10
Ich wollte nur anmerken, dass hier ein paar Bilder fehlen. Würde mich freuen, wenn das wieder in Ordnung gebracht wird, denn das ganze ohne Bilder zu verstehen, ist doch ein wenig kompliziert ;-)
benni87
Stammgast
#14 erstellt: 24. Feb 2011, 12:41
Vielleicht sollte man noch ein paar schematische Zeichnungen hier posten. Wie das ganze in der Realität aussieht und wie man es vermeiden kann.

Das Magnetfeld eines einfachen Leiters. Quasi Ringförmig um den Leiter.
Leiter Magnetfeld
Link: http://de.factolex.com/Magnetismus:metallurgie_mineralogie

Bei einer Leiterschleife bilden sich diese Ringe natürlich um die gesamte Schleife.
Leiterschleife Magnetfeld
Links:
http://home.arcor.de...leundMagnetfeld.html
http://www.pimath.de/magnetfeld/dipolfeld.html

Eine Spule kann man einfach als einen Stapel von Leiterschleifen verstehen.
Magnetfeld Spule
Link:
http://www.der-moba.de/index.php/Wie_funktioniert_ein_Motor


Kondensator (?)



Jetzt fehlen noch Magnetfeld eines Kondensators. (Für einen mit 2 Platten weiß ich es, aber so ein handelsüblicher runter Elko oder die eckigen, keine Ahnung?!)

Bei Widerständen bin ich mir gerade sehr unsicher ob es überhaupt ein relevantes Magnetfeld gibt. Evtl. genauso wie beim normalen Leiter?

Und Transistoren???



Dann fehlen noch Beispiele wie man z.B. Leiter in Kombination mit Spulen und Kondensatoren anordnen sollte damit es so wenig Induktion wie möglich gibt.


[Beitrag von benni87 am 24. Feb 2011, 21:29 bearbeitet]
weakbit
Stammgast
#15 erstellt: 04. Nov 2013, 17:12
Am besten würde sein wenn Ihr noch die Millerkapazität der Transistoren berücksichtigt. Vor allem Wichtig der Skin Effekt der ab einer weitaus höheren Frequenz ausserhalb des Hörbaren Frequenzbereichs stattfindet -
Nicht zu vergessen die böse Erdschleife bei einem Symetrischen Aufbau, das macht man im übrigen seit es Leiterplatten gibt und die Verstärker einen Masse-Stern um den Netzteilkondesator haben etc.
Viel Wichtiger ist das es keine Magnetischen Wellen gibt denn die stören den Klang ja ungemein.

Am besten man verwendet optische Leiter die haben kein Magnetfeld und beim Skineffekt sind 9µm Monomodefasern ja ideal. Dann die Kabeln bis hin zu den Lautsprechern sind ein reines L das gehört weg denn so ist der Komplexe Wiederstand j viel zu hoch. Frequenzweichen gehören auch weg denn sie machen nur Phasenfehler die kein Hörer braucht - oder!?
Wichtig ist das weglasen der Anschlussleiter der Elektrolytkondensatoren denn jede Leitung ist ein L und das macht auch eine Abstrahlung und man bedenke stellt auch noch einen Strahler dar der unangenehme Wellen von aussen aufnehmen kann, das gehört auch weg sonst hat man Mittelwellenemfang auf der Endstufe.

Das schlimmste jedoch ist der Lautsprecher mit seinem schlechten Wirkungsgrad und vor allem er hat auch noch einen schlechten Klang, der gehört weg denn er produziert lediglich Phasenfehler, Modenfehler, Frequenzunliniearität, Resonanzen und noch viele andere unnötige Störungen.

Ich schlage vor Ihr baut einmal einen ganz normalen Konservativen Verstärker wie den Accuphase E213
hier der Link ich hoffe das ich das darf http://www.audio.de/...se-e-213-312669.html da sieht man das man mit allen Skineffekten, Masseschleifen, 3°Kelvin Hntergrundrauschen des Weltalls usw. usf. nach und dann messt Ihr mal wie schlecht euro Boxen gehen.

Zur Spule - eine Spule ist nicht nur eine mehrfache Leiterschleife vielmehr ist sie eine Reihe von Wiederständen die in Form einer Schleife das L darstellt und von Schleife zu Schleife einen durchlaufenden Kondensator darstellt - also ein RLC ist das Ding.

Viel Spass beim basteln wünscht euch euer
weakbit
Achja ich verwende gerade denn TAS5631B von Texas der hat 6 Kanäle und geht eigentlich Super - Vorschlag bau in gleich in die Box ein und verwende ja keine Frequenzweiche sondern filtere Digital davor.
Zur Optimierung der Stromumverteilung empfielt es sich eine Leiterplatter doppelt Kaschiert mit vielen Vias zu verwenden und die Ströme über symetrische Breite Flächen fliessen zu lassen. Die Elkos werden noch mit in Richtung parallel angeordneter kleiner Kondensatoren angeordnet ähnlich eines Frequenzfilters der die Hohen schluckt und bis zu den Tiefen Filtert also eine Art Multiband Breitbandfilter. (PCB ist Symetrisch aufgebaut) das gewährleistet in allen Bändern der Enstufe eine saubere Stromversorgung und das ist Wichtig nicht die Skineffekte und das Megnetfeld. Das Ding ist doch kein Messverstäker mit dem man pVolt misst.
Fast hätte ich es vergessen die Elkos von Panasonic und/oder Nichicon 105°C zu verwenden. Die leben lange und Ihr werdet immer eine Freude haben denn die MTBF@100 liegt bei diesen Typen zwischen 4000 bis 8000h bei vollem Rippelstrom!


[Beitrag von weakbit am 04. Nov 2013, 18:17 bearbeitet]
berti56
Inventar
#16 erstellt: 12. Nov 2013, 14:24
LOL

Sehr schön, weiter so!
schnber
Ist häufiger hier
#17 erstellt: 30. Jan 2017, 21:29
Hallo die Leut!

Ich möchte diesen Beitrag nochmal hervorkramen,
da ich die Ausführungen des Themenerstellers für sehr wertvoll
halte.
Besonders heute, in Zeiten der Class-D Amps sind die Erkenntnisse besonders
wichtig.
Nicht umsonst ist die Class-D Entwicklung eine Königsklasse
und viele scheitern weil sie dieses Wissen nicht haben.

Leider hat ein hat ein Unwissender die Ausführungen geschlossen.

LG
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