Mai 2016

Audio-Projekt

2 × 1200 Watt • High-End   Die Audio-Lügen

Vor einigen Monaten wurde ein großes Audio-Projekt begonnen, das bis zur Fertigstellung durchaus 2 - 4 Jahre brutto dauern kann.
Das Grob-Konzept ist durch das nachfolgende Bild dargelegt:

projektskizze

Diese Webseite wird immer mal wieder angepaßt werden, während der Projektlaufzeit. Die endgültige Beschreibung und Dokumentation mit vielen Fotos und weiteren Grafiken wird nach Abschluß des Projektes entstehen.
Die Anlage wird zu 100 % selbst entwickelt und gebaut. Beispielsweise werden alle Schaltungen und die Leiterplatten selbst entwickelt. Es werden SMD-Bauelemente mit ≥1,27 mm Pin-Ab­stand verwendet.

Konzept

Es wurde ein absolut überlegenes Konzept beschlossen: Passive Frequenzweichen werden mit höchster Priorität vermieden. Alle Lautsprecher-Chassis werden unmittelbar an die Verstärker angeschlossen. Das erzwingt aktive Frequenzweichen; drei Frequenzwege sind vorgesehen. Ebenso zwangsläufig sind 2 × 3 Verstärker. Das ermöglicht beliebig unterschiedliche technische Auslegungen vom Vorverstärker bis zu den Lautsprecher-Chassis. Aktiv-Boxen sind wegen der Leistung von 1500 Watt pro Kanal ausgeschlossen. Die Gesamtleistung wurde (auch) auf 3000 Watt bemessen, damit die Verstärker an einer Steckdose betrieben werden können. Die Anlage enthält (zunächst) keinerlei Digital-Elektronik.

Es gibt zwei Boxen pro Kanal. Das ermöglicht eine unabhängige Konstruktion und die obere Box kann beliebig verschoben, gedreht und geneigt werden, was riesige Vorteile sind. Die Verstärker stehen neben den Boxen, mit Lautsprecherkabeln von nur 2 - 3 Metern Länge. Ein 3-fach-Verstärker wiegt etwa 35 kg, eine Baßbox hat etwa 250 l Volumen und wiegt etwa 80 kg. Die Baßboxen stehen wegen des hohen Gewichts auf gleichzeitig entkoppelnden Gummirollen und sind daher rollbar. Alle Boxen sind beliebig oft zerlegbar. Es werden über 700 Gewinde-Muffen M5 und M6 verwendet. Die Verstärker können von einer Person gehoben und bewegt werden. Die Baßboxen können von einer Person niedergelegt, aufgerichtet und gerollt werden. Das ist wohlüberlegtes Bestandteil des Gesamtkonzeptes.

Als Lautsprecherchassis werden die nachfolgenden verwendet (.pdf):
Tiefton     Mittelton     Hochton
Es werden 2 Tieftöner pro Baßbox verwendet. Ein Tieftöner hat 2 Schwingspulen und somit 4 Anschlüsse. Auf der Rückseite jeder Baßbox befindet sich ein Klemmenbrett mit 12 Klemmen, um die Tieftöner in der Box beliebig verschalten zu können. Der Mitteltöner ist ein Tiefmitteltöner, dessen Tiefton nicht benutzt wird. Dieses Chassis ist das high-end-igste. Der Hochtöner ist ein Air-Motion-Transformer. Die Chassis übernehmen jeweils ungefähr eine Dekade Frequenz: 20 - 200 Hz ◊ 200 - 2000 Hz ◊ 2000 - 20000 Hz. Um die Boxen mit den Verstärkern zu verbinden, werden extra dafür entwickelte 4-polige speakON-Steckverbindungen verwendet. Diese sind für 40 A Dauerstrom pro Kontakt spezifiziert und deutlich pro­fessio­neller als alle anderen hier üblichen Verbindungen.

Jeder Verstärker arbeitet mit sechs Endstufen in Brückenschaltung. Das hat verschiedene Gründe. Die Transformation besteht aus 3 parallel geschalteten Ringkern-Transformatoren mit je 500 VA und 2 × 35 Veff. Eine Sanfteinschaltvorrichtung ist vorhanden. Die Brücken werden gespeist von einer Doppel-Betriebsspannung, wobei zwischen Plus und Minus eine Kapazität von 100000 µF / 100 V wirkt und zwischen Plus und Null und Null und Minus jeweils 4700 µF / 63 V wirken. Der große Kondensator verträgt dauerhaft 114 A Ripple-Strom und hat einen ESR von 1,5 mΩ bei 100 Hz und 3 mΩ bei 10 kHz. Achtung, bei Brückenschaltung fließt der Laststrom zwischen Plus und Minus. Das Bezugspotential Null 0V kann optional mit Null des Vorverstärkers verbunden werden. Eine galvanische Verbindung zwischen Null und Schutzerde gibt es nicht. Optional sind hier Y-Kondensatoren per Jumper vorgesehen.

Die Hauptspannung ist mit knapp 100 Volt relativ gering. Sie wird von allen Endstufen benutzt. Der Transformator kann 21,4 Aeff dauerhaft liefern. Die Baß-Endstufe kann vom Haupt­kon­den­sa­tor her maximal 60 A kurzzeitig liefern. An 4 Ω können dauerhaft etwa 1000 Watt abgegeben werden, kurzzeitig etwa 2000 Watt. Der Ruhestrom durch 24 Transistoren (4×4+4×1+4×1) ergibt 240 Watt. Insgesamt können an beide Boxen eines Kanals etwa 1200 Watt abgegeben werden. Die vier Kühlkörper werden temperaturüberwacht; die Verstärker sind lüfterlos.

Bei Brückenschaltung von zwei Endstufen kann ein zerstörter Endstufen-Transistor einen Lautsprecher sehr wahrscheinlich nicht beschädigen, denn dazu müßten gleichzeitig in beiden Endstufen je ein komplementärer Transistor zerstört sein.
Jede Brückenschaltung ist mit einer aufwendigen Ausgangsstrommessung ausgestattet. Diese Einrichtung hat einen trägen und einen flinken Zweig. Die Wirkung beider Zweige kann stufenlos von 0 bis MAX eingestellt werden. Die Stromschwelle kann ebenfalls stufenlos eingestellt werden, von etwa 1 % bis 101 %. Nach Erreichen der Schwelle wird innerhalb von Mikrosekunden das Eingangssignal kurzgeschlossen. Diese Einrichtung schützt Lautsprecher und Endstufen. Lautsprecher werden vor Überhitzung der Schwingspule und zu großer Membranauslenkung geschützt. Beim Baß-Chassis muß überwiegend die Membranauslenkung beachtet werden, beim Hochton-Chassis die Schwingspulentemperatur.

Die Endstufen enthalten je etwa 15 Operationsverstärker, jedoch außerhalb des gegen­ge­koppel­ten Signalpfades, insgesamt das Beste vom Besten. Darunter sind auch Instrumentation-OPV. Bei­spiels­weise wird die Ausgangsgleichspannung mittels eines Regelkreises auf Null gehalten.
Wenn der Anspruch High-End besteht, muß eben ziemlich kompromißlos geklotzt werden. Zumindest muß professionelle Technik, wie man sie in der Industrie erwartet, verwirklicht werden. Massive Silberdrähte wären dabei keineswegs professionell, sondern unprofessioneller Bullshit. Warum? Lohnender ist es, einfach Kupfer zu verwenden, und das frei werdende Kapital in Schaltungstechnik zu stecken. High-End bezieht sich nämlich primär auf die technischen Eigenschaften und nicht auf unsinnige Spielereien mit massiven Edelmetallen.

Der 3-fach-Verstärker besitzt keine Bedienungselemente. Es gibt lediglich fünf Anzeige-LEDs in der Frontplatte. Die Rückseite weist drei Trimmer für die drei Strombegrenzungen auf, und einen Überbrückungsschalter für die Remote-Einschaltung vom Vorverstärker. Hierfür wird ein 8-poliger Stecker RJ45 verwendet. Es sind folglich 6 Leitungen frei für beispielsweise ein CAN-Bus-Signal plus Versorgungsspannung von CAN-Geräten (4 Leitungen). Die Verstärker sind DC-gekoppelt, es gibt keine Kondensatoren im Signalpfad. Die Lautsprecherströme laufen nicht über Relais-Kontakte, weil die Schaltungstechnik dies entbehrlich macht. Es sind diverse gestufte Einschaltfunktionen mit Hysterese vorhanden.

Eine große Anzahl von Spannungsreglern befinden sich im Verstärker. Die Spannungen ±24 V werden im Gerät verteilt. Die Brummunterdrückung beträgt 80 db. Auf den Platinen werden daraus weitere kleinere ±Spannungen gewonnen. Die Brummunterdrückung beträgt hier weitere ≥45 db. Möglichst viel Schaltung wird von stabilisierten Spannungen versorgt.
Die Endstufe für Baß hat einen Rail-to-Rail-Ausgang mit den Steuerstrecken der Transistoren an Plus und Minus. Die Endstufen für Mitten und Höhen haben eine andere Schaltungstechnik mit teilweise besseren Daten, aber geringerem Spannungshub.

Der Vorverstärker enthält die Frequenzweichen plus eine Tiefbaßanpassung. Die Hoch- und Tiefpässe sind 10. Ordnung mit 60 db pro Oktave. Natürlich werden Polypropylen-Kon­den­sa­to­ren mit 1 % Toleranz verwendet. Auch hier sind die Operationsverstärker das Beste vom Besten. Beispieldaten: Klirr+Rauschen 0,000015 % ◊ Rauschen 1,1 nV/√Hz ◊ 40 MHz ◊ 27 V/µs. Es werden Potentiometer des Herstellers Bourns verwendet, mit einer Lebensdauer von 100000 bzw. 5000000 Rotationen. Insbesondere kann die Lautstärke der drei Fre­quenz­be­reiche getrennt eingestellt werden, wodurch unter anderem Unterschiede beim Wirkungsgrad der Lautsprecher bedeutungslos werden. Es werden symmetrische Differenz-Ausgänge an 600 Ohm verwendet, per XLR-Steckverbindung.

Lautsprecher-Steckverbindungen

Die üblichen Verbindungen von Lautsprecherkabeln sind im Grunde unprofessioneller Bullshit. Schraub- und Klemmterminals für einzelne Drahtenden sind eigentlich für temporäre Verbindungen im Elektrolabor gedacht. Kabel mit heraushängenden Einzeldrähten sind kritikwürdig und können frei zugänglich gefährliche Spannungen bei größeren Leistungen führen. Eine Zugentlastung existiert nicht.
Bei
speakON-Verbindungen ist alles isoliert und für 250 V zugelassen. Die Steckverbindung ist zwangsverriegelt und kann verpolungssicher innerhalb von einer Sekunde gesteckt wie auch gezogen werden. Es ist eine professionelle Spannzangen-Zugentlastung vorhanden. Farb­co­dierung steht zur Verfügung.
Nur ein Merkmal ist negativ aufgefallen: Die FASTON-Flachsteckverbindungen 6,35 mm bei bestimmten Einbausteckern können garantiert keine 40 A führen. Datenblätter nennen 16 A bis 24 A, je nach Material, Beschichtung und Drahtquerschnitt. Relais mit Kontakten für 30 A sind mit Steckzungen mit 9,5 mm Breite und 1,2 mm Dicke ausgerüstet. Dies Beispiel zeigt deutlich, daß 40 A nicht möglich sind. Dabei geht es nicht um die Steckzungen, die durchaus mit 40 A belastbar sind, sondern um den Kontakt-Übergangswiderstand, an dem ja Wärme entsteht, und um den Flachstecker aus dünnem federnden Blech aus Bronze oder Messing (0,35 mm).


Copyright © 2016 Helmut Schellong

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