Aktivanlage, Projekt 4 - Elektronik

Hier wird nun die gesamte Elektronik des Projektes A4 beschrieben. Das ist das größte Projekt, das ich je im Auftrag eines Freundes gebaut habe. Die im Folgenden beschriebenen Boxen sind aktiv betriebene Lautsprecherboxen mit 4 Endverstärkern pro Kanal. Diese werden über eine elektronische Frequenzweiche mit 4 verschiedenen Frequenzbereichen versorgt, so daß jeder Lautsprecher den passenden Frequenzbereich zugeteilt bekommt.

Im unteren Teil ist der Elektronikblock hinter einer belüfteten Türe versteckt. Auch an die Belüftung der Elektronik wurde gedacht. So wird die "kühle" Luft unten durch die Türe "eingesaugt", durch die Elektronik geführt und im Inneren der Box nach oben geleitet. Dort wird sie dann "aufgewärmt" durch die Endstufen auf der Außenseite der Box durch eine kleine Abdeckung wieder in die Freiheit entlassen.

Der Strathearn ist ein klanglich sehr guter Lautsprecher. Allerdings bringt dieser Prinzipbedingt auch einen Nachteil mit sich. Er hat eine gefährlich niedrige Impedanz. Aus diesem Grund wird er über einen Impedanzwandler in Form eines Ringkerntrafos (links im Bild) zum "normalen" Lautsprecher. Oberhalb des Strathearn ist das Bediener- und Anzeigepanel (rechtes Bild) erkennbar. Hier wird die Box (ferngesteuert) eingeschaltet und die Betriebszustände angezeigt. Dazu gehören die zweistufige Primärverzögerung, die "Lautsprecher ON"-Anzeige und die Clippinganzeigen. Die Beschreibung der Primärverzögerung und der Clippinganzeige ist weiter unten ausführlich ausgeführt.

Im Bild rechts sieht man eine Draufsicht des Elektronikblocks. Die komplette Elektronik wiegt ca. 50 kg/ Kanal und liefert insgesamt etwa 1240W Sinus (kein Tippfehler!) an die Lautsprecher. Die gesamte Planungs- und Bauzeit zog sich über etwa 2 Jahre hin. Das mag zunächst lang erscheinen, hatte aber verschiedene Gründe. Der scheinbare Nachteil entpuppte sich sich aber später als Vorteil. Durch die verstrichene Zeit gab es inzwischen verbesserte Komponenten, die dann auch in das Projekt einfließen konnten und damit die Gesamtqualität weiter steigerte. Die Elektronik wurde in 3 Etagen unterteilt. Ganz unten befinden sich die Hochleistungstrafos, so weit wie möglich von der empfindlichen Audioelektronik entfernt. In der zweiten Etage sind die Netztrafos für Mittel-Hochtonendstufen, deren Elkos, Siebdrosseln, Filter, Nebennetzteile und die Einschaltverzögerung untergebracht. Im obersten "Stockwerk" befindet sich die eigentliche Audioelektronik mit allen Endstufen, Aktivweichen, Schutzschaltungen, Symmetriewandler, die Steuerung der Einschaltverzögerung und die Nebennetzteilelektronik. Auf dieser Ebene sind auch noch zusätzliche Filterbänke für die Endstufen untergebracht.

Nachdem die ersten Betriebsstunden der Elektronik einen sogenannten "Burn-In" bestanden hat, wurde der Block dann endlich an seinen Bestimmungsort geliefert. Dort wurde der Elektronikblock dann voller Erwartung eingebaut. Der erste Einschaltvorgang unter Lifebedingungen wurde dann mit riesiger Vorfreude vorgenommen. Als dann schon mal ein Ohr an die Chassis gelegt wurde, um ein erstes Rauschen oder Brummen zu hören, kam zunächst eine Art Verwunderung auf: Man konnte nichts hören! War da nun irgend ein Fehler, etwas defekt, ein vergessenes Kabel oder sowas? Die Antwort war schnell klar: Das man nichts hörte, lag einfach an den sehr guten Rauschabständen und den Filtern. Solange kein Signal vorhanden ist, solange ist eben auch nichts zu hören! Aber schon die ersten Töne die dann von der hervorragenden Quelle zu hören waren, ließen uns dann einen wohligen Schauer den Rücken herunterlaufen. Da war ein ungeheures, sehr tiefreichendes Fundament im Bass und zugleich ein extrem feines Auflösungsvermögen in den Mitten und Höhen zu vernehmen. Erst jetzt wurde mir klar was ich da eigentlich gebaut hatte. Es war einfach überwältigend!

Nach einigen Wochen Eingewöhnungsphase wurde noch ein wenig an der aktiven Weiche nachgetrimmt (die Schalldruckunterschiede). Seit dem laufen die Boxen ohne irgendwelche Probleme oder gar Reklamationen. Für mich kann ich daraus die Lehre ziehen: Das, was ich da gebaut habe, war in jeder Beziehung gut durchdacht und Dank guter Planung auch richtig ausgeführt.

Beschreibung der einzelnen Baugruppen

1. Entstörfilter

Das Entstörfilter, bestehend aus einer vergossenen und in Metall verkapselte Drosselspule und Filterkondensatoren, hat die Aufgabe hochfrequente Störspannungen, die durch das 230V Netz eingeschleust werden können, wirksam herauszufiltern. Die Belastungsfähigkeit liegt bei 10 A.

2. Leistungsnetzteil

Das Leistungsnetzteil ist zur Spannungsversorgung der Leistungsendstufen vorgesehen und besteht aus einem 1240 VA Ringkerntransformatorpaket, drei Brückengleichrichtern, vier Drosselnetzwerken und einem mehrteiligen Satz Elko's zur Glättung der Gleichspannung. Die gesamte Kondensatorkapazität beträgt 246 000µF! Zuerst ist da mal das Hauptnetzteil. Es besteht aus 6 (in Zahlen sechs) Ringkerntrafos in der untersten Ebene.

Auf der ersten Ebene (linkes Bild) das gewaltige Trafokraftwerk. Auf der zweiten Ebene (rechtes Bild) befindet sich die Netzteil Abteilung. Hier sind die meisten Elko's und Siebschaltungen untergebracht. Weiterhin sind hier die Nebennetzteile für die Relaissteuerung, die DC-Kontrollen, Clippinganzeigen, Primärverzögerung und die symmetrische Stromversorgung für die Weiche und den Symmetriewandler eingebaut. Für die Hochtonendstufen wurde aus Platzgründen ein weiterer Ringkerntrafo auf diese Ebene verlegt. Diesen kann man stehend am rechten Bildrand im rechten Bild sehen.

Links: So sieht nur "ein" Drosselpaket pro Spannung für die Bassendstufen aus. Rechts: hinter der Verdrahtung sieht man die mächtigen Elko's (schwarz und blau) für die Bassendstufen. Im Vordergrund sieht man auch den Gleichrichter dazu. Schaltungstechnisch folgt nach dem Gleichrichter der erste Elkosatz von je 10000µF/ Spannung (schwarze Elko's). Danach kommt die Drossel von je 2 x 6,8 mH/6A (linkes Bild) zum Einsatz. Sie glättet die eventuell noch vorhandene Restbrummspannung. Erst jetzt folgen die noch stärkeren Elko's von je 22000µF/Spannung (blaue Elkos). Somit steht alleine für die Bassendstufe eine Gesamtkapazität von 2 x 32000µF zur Verfügung! Auf der Endstufenplatine selbst befindet sich dann noch einmal eine Kapazität von 1500µF/Spannung "vor Ort".

Für die Mitteltonendstufe gibt es gleich zwei Elko-Drossel-Elko Kombinationen. Sie bestehen im ersten Teil aus 10000µF-14,4mH-20000µF. Im zweiten Teil nochmals aus der gleichen Kombination von 10000µF-14,4mH-20000µF. Der Grund für diesen Aufwand ist die absolute Brummfreiheit und unbedingte Stabilität der Versorgungsspannung für die daran angeschlossene IGBT-Endstufe. Diese hat schließlich die für das menschliche Gehör sehr wichtige Mitteltonlage zu liefern. Da sind Fehler, egal welcher Art, unverzeihlich! Diese Endstufe bekommt eine Versorgung, die wirklich schon sehr nahe an die "Batterie" heran reicht. Bei Messungen mit dem Oszi gingen die Brummspannungen schon im Rauschen des Messverstärkers unter.

Die gleiche, aber nur einstufige Elko-Drossel-Elko Kombination gibt es dann noch mal für die Endstufen im Mittelhochton- und Hochtonbereich. Hier hängen gleich beide Endstufen am gemeinsamen Netzteil, weil deren Stromaufnahmen bei den hohen Frequenzen nicht mehr so hoch sind.

3. Nebennetzteil

Das Nebennetzteil gliedert sich in zwei Bereiche.

3a) Der erste Bereich ist ein 12V Netzteil mit einer Kapazität von 4A. Mit diesem Netzteil werden alle Relais, Kontrollschaltungen wie DC-Kontrolle etc. und Kontrolllampen versorgt.

3b) Der zweite Bereich ist ausschließlich für die Stromversorgung der Aktivweiche und des Symmetrieumsetzers verantwortlich. Die Betriebsspannungen werden über zwei Spannungsregler mit +/- 15V Versorgungsspannung bereitgestellt. Das garantiert eine sehr stabile Betriebsspannung an jedem Operationsverstärker. Für diese Stromversorgung ist ein separater Trafo vorhanden.

4. Einschaltverzögerung

Die Einschaltverzögerung ist für eine Einschaltstrombegrenzung zuständig. Das ist bei dem hohen Einschaltstrom der Ringkerntransformatoren im Hauptnetzteil notwendig, da sonst die Haussicherung auslösen würde. Warum ist diese Maßnahme überhaupt notwendig? Nun, Ringkerntrafos haben einen sehr geringen Innenwiderstand. Das hat den Vorteil, das bei großen Strömen im Trafo selbst keine allzu großen Spannungen aufgrund eines zu großen Widerstands abfallen. Dafür nimmt sich der Trafo auch an der Primärseite reichlich "Einschaltstrom". Die Strombegrenzung wurde über einen Hochlastwiderstand realisiert, der dafür sorgt, daß die Ringkerntrafos für kurze Zeit nur einen Teil der Netzspannung bekommen (eine kleinere Spannung erzeugt auch einen kleineren Strom). Dieser Widerstand ist nach dem ersten Einschalten für etwa drei Sekunden mit den Ringkerntransformatoren in Reihe geschaltet. Nach Ablauf dieser Zeit wird der Widerstand von einem Leistungsrelais überbrückt, um dann die volle Betriebsspannung auf das Leistungsnetzteil zu leiten.

5. Symmetrieumsetzer

Der Symmetrieumsetzer hat die Aufgabe, die ankommenden symmetrischen Signale Störspannungsfrei zu übernehmen und für die Weiche aufzubereiten. Die in dieser Aktivbox enthaltene Umwandlung wird vollelektronisch vorgenommen und ist damit völlig frei von Transformatoren / Übertragern. Das ist den heutzutage existierenden sehr guten Halbleitern zu verdanken. Zum Einsatz ist ein neuer Spezialbaustein gekommen, der für nur für diesen Zweck entwickelt wurde und dennoch leicht zu beschaffen ist. Dieser Baustein enthält bis auf wenige externe Teile eine interne Driftkompensierung und alle notwendigen Elemente. Damit ist er der einzig aktive Baustein in der Symmetrieumwandlung. Er schließt die ankommende Leitung mit 600 Ohm ab. Der Eingang ist mit einer XLR-Buchse (Cannon) ausgestattet.

 6. Aktivweiche

Die Stromversorgung der aktiven Weiche wird zusätzlich zu der ohnehin schon sauberen Betriebsspannung noch einmal von evt. Störspannungen über separate Filter gereinigt. Bei der Aktiven 4 Wege-Weiche liegen die Trennfrequenzen bei 150 Hz, 700 Hz und 6,5 kHz. Die Charakteristik wurde nach dem Besselprinzip (für geringste Phasenverschiebung und einen absolut geradlinigen Frequenzverlauf ohne eigenmächtige Überschwinger verantwortlich) mit einer Flankensteilheit von 24 dB/Oktave eingerichtet. Die angesprochenen "Überschwinger" sind bei Tschebyscheff-, Butterworth- oder Linkwitzfiltern typisch. Dafür sind diese Filtertypen aber auch insgesamt um einiges steiler. Wenn aber das weniger steile Besselfilter insgesamt mit 24dB eingesetzt wird, ist das immer noch doppelt so steil, wie bei herkömmlichen passiven Filtern. Aus diesem Grunde habe ich mich auch genau für diese Filtertypen entschieden. Für jeden der 4 Kanäle gibt es ein Präzisions-Trimmpotentiometer zur Einstellung der Ausgangsspannung.

Die Weiche ist ausschließlich mit sehr rauscharmen, handselektierten Bauteilen (für absolute Gleichheit auf beiden Seiten) ausgestattet. Die Operationsverstärker auf der Weiche sind extrem rauscharme Typen, die gleichzeitig auch noch sehr schnelle Flanken verarbeiten können (die Schnelligkeit ist für kurze, impulsartige Spannungssprünge im Audiosignal, wie sie etwa bei Schlagzeugen entstehen, von großer Bedeutung).

7. Clippinganzeige (-3dB und 0dB)

Die Clippinganzeige dient dazu, die Leistungsgrenzen der Endstufen anzuzeigen. Sie hat also eine Art Vorwarncharakter. Das bedeutet, daß mit steigender Lautstärke die jeweiligen Endstufen mit ihrer Ausgangsspannung in den Grenzbereich der Stromversorgung kommen, abhängig von der Belastung durch den angeschlossenen Lautsprecher. Dieser Grenzbereich wird durch zwei LED's verschiedenfarbig angezeigt. Die -3dB-LED leuchtet bei Erreichen der halben Maximalausgangsleistung (das sind 3dB unter der Vollaussteuerung=0dB) auf. Sobald die Ausgangsleistung auf 0dB oder höher ansteigt (d.h. die Ausgangsspannung wäre höher als die Betriebsspannung) wird dies durch die 0dB-LED angezeigt. Die gesamte Clipping-Schaltung ist 4-fach ausgelegt (eine pro Endstufe) wird direkt von der jeweiligen Endstufe mit Strom versorgt, damit gewährleistet ist, das sie sich automatisch bei Schwankungen der Endstufen-Versorgung der veränderten Situation anpasst. Daraus folgt: Die Anzeige ist "immer ehrlich"! Alle Clippingkontrollen sind auf einer gemeinsamen Platine untergebracht. Zusätzlich befindet sich auf dieser Platine noch die digitale Steuerung der Einschaltverzögerung, nicht aber die Relais selbst.

8. DC-Schutzschaltung

Nach dem Ausgang jeder Endstufe folgt eine DC-Schutzschaltung (linkes Bild). Im Fehlerfall - bei DC < 1,2V - wird nur der betroffene Lautsprecher abgeschaltet. Solange der Fehler ansteht, wird sich da auch nichts ändern! Dieser Fehlerzustand wird über eine LED pro Endstufe angezeigt, damit man sieht, warum man nichts hört. Die Relais für die  Lautsprecherausgänge (ein Vertreter rechts im Bild) werden im normalen Betrieb direkt über den Netzschalter eingeschaltet. Es sei denn, es liegt in irgendeiner Form ein für Lautsprecher gefährlicher Betriebszustand vor. Von der DC-Schutzschaltung werden diese Relais ohne Zeitverzögerung abgeschaltet (d.h. nach dem Ausschalten der Boxen) damit auch nicht die geringsten Störspannungen an die Lautsprecher gelangen können.

Die gesamten Schutzschaltungen greifen in keiner Weise in die Signalwege ein, so daß von dieser Seite auch keine Verzerrungen oder Klangverfälschungen hervorgerufen werden können.

9. Leistungsverstärker (Endstufen)

Es gibt drei verschiedene Endstufentypen:

Bass: Symmetrische MOS-FET Endstufe mit +/- 82V Betriebsspannung. Diese Endstufe basiert auf dem guten alten Crescendo, mit dem ich auch schon im Breitbandbertieb allerbeste Erfahrungen gemacht habe. Allerdings wurde hier die Ausgangsleistung drastisch erhöht, wie man unten in der Tabelle sehen kann.

Tiefmittel: Symmetrische IGBT Endstufe mit +/- 45V Betriebsspannung. Diese Endstufe habe ich deshalb ausgewählt, weil sie gerade im mittleren Bereich beste Qualitäten vorweisen konnte, obwohl auch sie ursprünglich als Breitbandverstärker gedacht war. Sie ist aber bei starken Belastungen auch langzeitstabil, was mir sehr wichtig war, zumal sie das Signal noch bis weit nach unten in den Bass bereich bedienen muß.

Mittelhoch und Hoch: Symmetrische IGBT Endstufe mit +/- 31V Betriebsspannung. Für den Einsatz im Mittelhochton und auch dem Hochtonbereich habe ich den Nachfolger der mittlerweile schon legendären IGBT-Verstärker ausgewählt. Hier werden nicht mehr so hohe Leistungen verlangt, dafür aber mehr klangliche Qualitäten. Genau diese aber werden bei den kleineren IGBT Endstufen glücklicherweise gleich mitgebracht. Sie sind geradezu prädestiniert für die oberen Stimmlagen, in denen das menschliche Ohr besonders empfindlich und feinfühlig ist. Da im Mittelhochton der sehr gute Strathern zum Einsatz gekommen ist, hatte ich fast keine andere Wahl mehr. Beide IGBT Endstufen mit ihren 60 Watt werden aus einem gemeinsamen Netzteil versorgt, das für den vorgesehenen Frequenzbereich eigentlich viel zu stark ausgelegt ist. Die Chassis übertragen sowieso keinen Brumm mehr, selbst wenn er noch da wäre.

Die Leistungsverstärker sind extrem stabil ausgelegt. Die Endstufen sind konsequent auf Stabilität, Standfestigkeit und Klang optimiert. Sie sind allesamt vollständig symmetrisch aufgebaut. Das ist für einen sehr feinzeichnenden, räumlichen und ausgewogenen Klang von großem Vorteil; und darauf wurde in diesem Fall allergrößter Wert gelegt. 

10. Verdrahtung

Die Verdrahtung im Inneren des Elektronikblocks wurde für die Signalwege durchgehend in "Kreuzsymmetrischer" Form ausgeführt. Die Beschreibung darüber findet man in dem Menüpunkt Kabel.

Für die stärker belasteten Leitungen habe ich den Leiterquerschnitt den entsprechenden Belastungen angepaßt. So ist z. B. für die Stromversorgung der Bass-Endstufe vom Netzteil bis an die Endstufenplatine ein Querschnitt von 4 mm² vorgesehen.

Die Leistungs-Verkabelung der gesamten Aktivbox habe ich selbstverständlich nach meinen eigenen, hochgesteckten Standards aufgebaut. Dieses Thema ist an anderer Stelle dieser Webseite ausführlich beschrieben. Näheres hierzu siehe Kabelquerschnitt.

So habe ich in der Bass-Endstufe geeignete Maßnahmen gegen die Spannungsverluste auf der Platine selbst ergriffen. Und das sieht dann wie im folgenden beschrieben aus:

Vom Stromversorgungseingang an der Platine bis zu den Anschlussbeinchen der Leistungstransistoren, von diesen über die Source- bzw. Emitter- Widerstände und von dort wieder bis zum Lautsprecherausgang habe ich auf die Kupferfolie massiven Silberdraht doppelt gelegt und mit der Platine verlötet. Der Querschnitt des Drahtes beträgt je 1,5 ²mm. Das sollte reichen. Die Platine selbst, übrigens tatsächlich nur 35µm, braucht hier also die Leistung nicht mehr zu übertragen. Das macht jetzt der Silberdraht! Die Platine hat hier nur noch eine "tragende Rolle". So ganz nebenbei hat Silber auch noch einen wesentlich besseren Leitwert als Kupfer!

Und wenn wir schon bei Silber sind, die gesamte Platine wurde aus genau diesem Grund auch noch in einem Tauchbad komplett versilbert. Das Kupfer wird nun vom Silber vor Korrosion geschützt. Danach wurde die Platine noch mit einem lötfähigen Schutzlack überzogen, damit auch das Silber nicht mehr anlaufen kann. Wie man sieht, habe ich hier nichts dem Zufall überlassen. Ich bin immer bemüht, die Physik in meine Planungen mit einzubeziehen.

Wenn das doch nur alle Hersteller von Leistungsverstärkern so oder ähnlich machen würden. Ich muß der Fairness halber sagen, das es sehr wohl einige wenige auch tun.

Und so sieht die Rückansicht des A4 aus.

Technischen Daten:

Stromversorgung: 230 V ~, 50 Hz

Stromaufnahme: max. 1200W / Elektronikblock

Gewicht: ca. 50Kg / Elektronikblock

Ausgangsleistungen:

Anmerkung: Der Ursprung einiger Schaltungen liegt in Schaltungstechniken aus dem ELEKTOR-LABOR in Aachen.

Anregungen und Kritiken an info@top-audio.de