Das WILDCAT Low Noise Netzteil - emsp.tu
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Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker WILDCAT Low Noise Netzteil Das WILDCAT Low Noise Netzteil Von Thomas Schmidt und Henry Westphal Seite 5-1 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker WILDCAT Low Noise Netzteil Der Hintergrund. Bei allen Original-Gitarrenverstärkern ist ein mehr oder weniger starker Netzbrumm im Ausgangssignal enthalten. Es liegt daher der Gedanke auf der Hand, unter Zuhilfenahme der heutigen technischen Möglichkeiten einen brummfreien Gitarrenverstärker aufzubauen. Das in den Original-Gitarrenverstärkern vorhandene Brummen wird aus mehreren Quellen in den Signalweg eingekoppelt: - - Durch die Einwirkung elektrischer und magnetischer 50 Hz-Streufelder in die E-Gitarre selbst, insbesondere auf das Pickup und die Verdrahtung Durch die Einwirkung externer elektrischer und magnetischer 50 Hz-Streufelder die Verdrahtung des Verstärkers Durch die Einwirkung von elektrischen und magnetischen 50Hz-Streufeldern, die durch die Wechselstromheizung der Röhren entstehen, dies ist insbesondere in den Vorstufen von Bedeutung Durch die 100 Hz-Welligkeit auf der Anodenversorgung, insbesondere der Endstufe. Der letztgenannte Einfluß nimmt mit der Aussteuerung des Verstärkers deutlich zu, während die drei erstgenannten Einflüsse von der Aussteuerung unabhängig sind, sich also bei leisem Spiel oder Stille besonders bemerkbar machen. Auf direkt in die Gitarre eingekoppelte Störungen kann im Verstärker kein Einfluß mehr genommen werden, daher werden diese hier nicht weiter betrachtet, im Kontext der Verstärkerentwicklung sind sie als gegeben hinzunehmen. Die durch externe Streufelder verursachten Störungen können durch geeignete Abschirmmaßnahmen wie Masseflächen auf Leiterplatten oder metallene Chassis weitgehend vermieden werden. Die durch die Wechselstromheizung in die Vorstufen eingekoppelten Störungen können durch eine Gleichstromheizung der Vorröhren vollständig eliminiert werden. Eine Gleichstromheizung der Endröhren macht hingegen keinen Sinn, weil die Signalpegeln an diesen so hoch sind, daß keine nennenswerte Störbeeinflussung mehr auftritt, während gleichzeitig der schaltungstechnische Aufwand zur Bereitstellung der benötigten Heizströme unverhältnismäßig hoch ist. Eine Gleichspannungsheizung der Vorstufen ist dagegen mit vergleichsweise geringem Aufwand umsetzbar. Die 100Hz-Welligkeit der Anodenversorgung könnte, dem ersten Anschein nach, dadurch reduziert werden, daß man die im Netzteil vorhandenen Ladekondensatoren vergrößert. In der Entstehungszeit der Originalschaltungen waren Kondensatoren im zweistelligen uF-Bereich Stand der Technik, größere Kondensatoren waren sehr teuer und gleichzeitig platzraubend. Heute stehen dagegen Kondensatoren in drei- oder gar vierstelligen uF-Bereich zu moderaten Preisen in kleinen Bauformen zur Verfügung. Dieser, zunächst naheliegende, Weg scheidet jedoch deswegen aus, da der bei den Originalverstärkern zu beobachtende Einbruch der Versorgungsspannung bei ansteigender Leistungsabgabe der Endstufen ein den Klang des Verstärkers maßgeblich prägender Faktor ist. Dieser Spannungseinbruch in der Größenordnung von 20% findet in ungefähr 10 bis 15ms statt. Damit verbietet sich eine Vergrößerung der Kondensatoren. Experimente zeigten, daß mit der versuchsweise Abpufferung dieses Spannungseinbruch der Zauber aus dem Klang des Verstärkers weicht, er klingt „billig“ und belanglos. Seite 5-2 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker WILDCAT Low Noise Netzteil Die folgenden Oszillogramme sollen diese Verhältnisse verdeutlichen. Sie wurden am WILDCAT Bassman Plus aufgenommen. Der WILDCAT Bassman Plus ist, bezüglich der hier interessierenden Merkmale, dem FENDER Bassman 5F6-A äquivalent. Die im Rahmen dieser Untersuchung aufgenommenen Meßwerte stimmen mit den im Buch „The Fender Bassman 5F6-A“ von Richard Kuehnel publizierten Werten überein. Für die Aufnahme der folgenden Oszillogramme wurde der Verstärker mit einer 2 Ohm-Dummy-Load betrieben und mit einem 1kHz-Sinusburst angesteuert. Der Verstärker wurde hierbei so weit ausgesteuert, daß Endstufenverzerrung auftrat. Das folgende Bild zeigt die Ausgangsspannung des Verstärkers. Er wurde mit einem Sinusburst mit über seiner gesamte Dauer gleichbleibender Amplitude angesteuert. Die Amplitude der VerstärkerAusgangsspannung nimmt jedoch nach dem sie zunächst einen Spitzenwert erreicht ab, um dann einen stationären Wert zu erreichen. Die Ausgangsspannung des WILDCAT Bassman Plus, gemessen an 2 Ohm Dummy-Load mit Tastkopf 1 zu 100 In der Pause zwischen den Sinusbursts hat sich der Ladekondensator im Netzteil auf eine hohe Spannung, nahe der Leerlaufspannung, aufgeladen. Mit dem Beginn des Sinusbursts kann der Verstärker daher kurzzeitig eine maximale Leistung abgeben, die dann mit der Entladung des Kondensators abnimmt. Das folgende Bild zeigt, in gleicher zeitlicher Skalierung den Verlauf der Anodenversorgungsspannung für die Endstufe, deutlich erkennt man den Spannungseinbruch, der während der Ansteuerung mit dem Sinusburst auftritt. Seite 5-3 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker WILDCAT Low Noise Netzteil Die Ausgangsspannung des WILDCAT Bassman Plus, gemessen an 2 Ohm Dummy-Load mit Tastkopf 1 zu 100, GND in Bildschirmmitte Das nun folgende Bild zeigt ebenfalls die Ausgangsspannung des Verstärkers, diesmal jedoch in stärkerer zeitlicher Dehnung. Die Ausgangsspannung des WILDCAT Bassman Plus, gemessen an 2 Ohm Dummy-Load mit Tastkopf 1 zu 100, in stärkerer zeitlicher Dehnung Deutlich ist zu erkennen, wie die der Anodenversorgung überlagerte 100 Hz-Welligkeit sich im Ausgangssignal widerspiegelt. Es wird daher nach einem Weg gesucht, die in den Originalschaltungen vorgefundene Dynamik der Anodenversorgung zu erhalten, aber gleichzeitig die 100 Hz-Welligkeit zu eliminieren. Seite 5-4 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker WILDCAT Low Noise Netzteil Die Idee. Um eine brummfreie Anodenversorgung bei Erhalt der sonstigen Dynamik der Originalschaltung zu bekommen wird der Anodenkreis wird zunächst einmal mit einer brummfreien Gleichspannung aus einer niederohmigen Quelle gespeist. Der die Höhe des Spannungseinbruchs bestimmende Innenwiderstand des Netztrafos und der Gleichrichterröhre wird mit einem steuerbaren Widerstand in Form einer Triode simuliert. Diese Triode arbeitet als steuerbarer Widerstand, die Höhe des Spannungseinbruchs läßt sich damit über die Gittervorspannung der Triode einstellen. Es ergibt sich das folgende Prinzipschaltbild. 6080 1 5 - 4 + 5 6 +Ua 8 + 2 4 + 1 BZT03-C100 Prinzip der brummfreien Anodenversorgung mit einstellbarem Innenwiderstand Hierbei ist zu beachten, daß die Gleichrichterröhre im Originalgerät nur ungefähr für ¼ einer Netzperiode Strom führt. Die Gleichrichterröhre ist nur dann stromdurchflossen, wenn der Momentanwert der Trafo-Sekundärspannung die Spannung über dem Ladekondensator übersteigt. In dieser Zeit fließt dann aber (im Durchschnitt) der vierfache Versorgungsstrom des Verstärkers durch die Gleichrichterröhre. Das bedeutet, daß der Spannungsabfall an der Gleichrichterröhre, wenn man sie, wie zunächst naheliegend in der Verstärkerschaltung beläßt und mit einem kontinuierlichen Gleichstrom speist nur ca. 1/4 des Spannungsabfalls beträgt, der beim Gleichrichterbetrieb in der Originalschaltung auftritt. Die negative Gittervorspannung der Triode vergrößert den Spannungsabfall wieder auf den Wert, der bei einer impulsbelasteten Gleichrichterröhre auftreten würde. Eine weitere Erhöhung der negativen Gittervorspannung bewirkt eine weitere Erhöhung des Spannungsabfalls, mit der dann der Innenwiderstand des Original-Netztrafos simuliert wird. Die Gleichspannung zur Heizung der Vorröhren wurde mit diskret aufgebauten Spannungsreglern realisiert. Diese Spannungsregler sind auf besonders hohen Wirkungsgrad optimiert. Sie wurden bereits für die HiFi-Verstärker der BLACK CAT –Serie entwickelt. Das folgende Schaltbild zeigt den Aufbau eines solchen Heizspannungsreglers. Seite 5-5 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker WILDCAT Low Noise Netzteil +12V REF 4 +Unreg TLC274 CN IRL530N 5 + 1k 7 11 6 - 100R 1nF +6.3V + 1000uF 4k12 1nF 1k Prinzip der Stabilisierung der Heizspannungen Der geringe On-Widerstand des als Stellglied verwendete MOSFETs führt dazu, daß die Schaltung noch mit Spannungsdifferenzen in der Größenordnung 50mV zwischen der ungeregelten Spannung und der Ausgangsspannung (6,3V) einwandfrei arbeitet. Ein herkömmlicher integrierter Spannungsregler, wie etwa der bekannte LM317 würde dagegen 3V benötigen. Wenn man Die Spannung „+Unreg“ so wählt, daß sich bei 10% Netzunterspannung nur wenig mehr als 6,3V einstellt, dann hat man auch noch bei nomineller Netzspannung oder gar Netzüberspannung eine sehr geringe Verlustleistung, die sich auch bei den hohen Innentemperaturen eines typischen Röhrengerätes gut abführen läßt. Seite 5-6 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker WILDCAT Low Noise Netzteil Die Realisierung. Die folgende Abbildung zeigt die Baugruppe zur Bereitstellung der brummfreien Anodengleichspannung und der negativen Gittervorspannung (links) sowie die Baugruppe mit der als steuerbaren Widerstand eingesetzten Triode. Hier wird eine Leistungstriode des Typs 6080 eingesetzt, die ursprünglich für die Verwendung als Längsröhre in spannungsstabilisierten Netzteilen entwickelt wurde. Die linksseitige Baugruppe wurde ursprünglich für den HiFi-Verstärker BLACK CAT 2 entwickelt. Die Baugruppen für die Anodenversorgung Seite 5-7 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker WILDCAT Low Noise Netzteil Die untenstehende Abbildung zeigt die Baugruppe zur Bereitstellung der stabilisierten Gleichspannungen von 6,3V für die Heizung der Vorstufenröhren. Diese Baugruppe wurde ursprünglich für den HiFi-Verstärker BLACK CAT 2 entwickelt. Die Baugruppe für die Gleichspannungs-Heizkreisversorgung Die Netzteilbaugruppe enthält noch eine weitere Funktionsgruppe zur Versorgung der Effektstufen mit einer Anodenspannung von +450V bei geringem Innenwiderstand. Seite 5-8 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker WILDCAT Low Noise Netzteil Die elektrischen Ergebnisse Die Stufen zur Bereitstellung der Heizspannungen, der Anodenspannung für die Effektstufen und für die negative Gittervorspannungen arbeiteten wie erwartet, lediglich die negative Gittervorspannung war etwas zu gering. Hierfür bestehen jedoch an anderer Stelle Kompensationsmöglichkeiten, indem der Gitterspannungsteiler in der Endstufe leicht angepaßt wird. Es zeigte sich, in Folge der Gleichspannungsheizung, ein deutlicher Rückgang des Brumms, wenn man den Verstärker ohne angeschlossene Gitarre betreibt. Die gewünschte Leerlaufspannung (meint hier: Belastung durch die Ruheströme) und der gewünschte Spannungseinbruch der Anodenversorgung konnten, durch geeignete Wahl der Gittervorspannung der Längstriode und der Trafo-Anzapfungen nach wenigen Iterationen hergestellt werden. Die folgenden Oszillogramme zeigen die (mit Ausnahme des 100 Hz-Brumms) nahezu identischen Spannungsverläufe der Anodenversorgung bei Ansteuerung des Verstärkers mit einem Sinusburst. Anodenversorgungsspannung Endstufe am WILDCAT Bassman Plus mit dem Originalgerät entsprechendem Netzteil (oben) und mit dem Low-Noise-Netzteil (unten) bei Ansteuerung mit Sinusburst entsprechend vorhergehender Oszillogramme; 100ms/DIV und 200V/DIV, GND-Potential am unteren Rand der Teilbilder. Seite 5-9 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker WILDCAT Low Noise Netzteil Die klanglichen Ergebnisse Beim Einstecken der Gitarre in den Verstärker zeigte sich jedoch, daß das durch die Gitarre eingebrachte Brummen im Vergleich zu dem durch die Wechselstromheizung im Originalgerät eingestreuten Brummen so stark ist, daß man keine ernsthafte subjektive Verbesserung des Brummverhaltens wahrnimmt. Die klanglichen Ergebnisse mit der neuen, brummfreien Anodenversorgung waren jedoch, überraschenderweise, sehr enttäuschend: Trotz der praktisch vollständigen Übereinstimmung der Kurvenverläufe (mit Ausnahme des 100 HzBrumms) ist der Verstärker klanglich nicht mehr wiederzuerkennen, das Klangbild hat sich vollständig geändert. Der Verstärker verliert die „Leichtigkeit", die „Touch-Sensitivity", die „Spritzigkeit" und die „scharfen", „bizzeligen“ Obertöne. Das Spielen macht nicht mehr so viel Spaß, es ist so als ob man stärker anschlagen muß und der Ton ein wenig später kommt, es macht ein wenig müde, es strengt an. Um „Seiteneffekte“ auszuschließen, etwa durch Veränderungen im Bereich der negativen Gittervorspannung, wurde ein Adapter gebaut, mit dem man nur die Anodenversorgung zwischen dem Original-Netzteil und dem Low-Noise-Netzteil hin- und herschalten kann. Hierzu wurde der Anodenversorgungs-Ausgang des „neuen“ Netzteils an einen Oktal-Stecker gelegt, der dann anstelle der GZ34 in deren Fassung auf der Verstärker-Leiterplatte gesteckt wurde. Damit ist ein Wechsel zwischen beiden Netzteilen in Minutenschnelle möglich, damit ist der vorherige Klangeindruck noch frisch im Gedächtnis so daß man die Klangeindrücke besser vergleichen kann. Der bei Anschluß des „neuen“ Netzteils wirksame Wegfall der Belastung durch die entfallende Heizung der GZ34 und die entfallende anodenversorgungsseitige Last führt nur zu einer ganz geringen Anhebung der negativen Gittervorspannung der Endröhre in der Größenordnung 0,5V, die nach unserer Einschätzung nicht klangentscheidend ist, die Änderung ist mit ca. 1% geringer als die üblichen Schwankungen der Netzspannung. Dieses Ergebnis ist insofern überraschend, da sich die Kurvenformen der Anodenversorgung bei Belastung, bis auf den Wegfall des 100 Hz-Brumms, gleichen. Es wurde untersucht, in welcher Weise sich eine Änderung des Innenwidersandes auf den Klangeindruck auswirkt, indem die Gittervorspannung der Triode 6080 variiert wurde. Hier wurde eine sehr starke Beeinflussung des Klangeindrucks festgestellt. Wenn man die Gittervorspannung der 6080 so weit verringert, daß die Versorgungsspannung des Verstärkers bei Belastung praktisch konstant bleibt, dann klingt der Verstärker „lasch“ und „billig“ ungefähr so wie ein 200 Euro-Transistorverstärker aus dem Elektronik-Großmarkt. In allen Einstellungen der Gittervorspannung und damit der Höhe des Spannungseinbruchs verliert der „Bassman“ sein charakteristisches Durchdringungsvermögen, er klingt weniger aggressiv, weicher. Aus dem „WILDCAT“ wird eine brave Hauskatze. Seite 5-10 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker WILDCAT Low Noise Netzteil Die Schlußfolgerungen Derzeit können wir den beobachteten Effekt noch nicht abschließend erklären. Die Sensibilität des Klangeindrucks gegenüber (scheinbar) kleinsten Änderungen am Netzteil ist überraschend und wurde von uns nicht vorhergesehen. Die wahrscheinlichste Erklärung ist, daß man die 100Hz-Modulation des Gitarrentons bei größerer Aussteuerung (ab dem Einsatz der Begrenzung) nicht als Störung, sondern als klangbildendes Element verstehen muß. Vermutlich verleiht erst diese Modulation den Tönen des Bassman ihre Durchdringungskraft und „Bizzeligkeit“, man kann es eventuell als einen sehr schnellem „Tremoloeffekt“ verstehen. Hieraus folgt dann die Fragestellung, daß es dann eigentlich unterschiedliche Klangeindrücke zwischen in den USA und in Europa entstandenen Aufnahmen geben müßte, da sich die Netzfrequenzen mit 60 Hz und 50 Hz unterscheiden. Damit ergibt sich eine Frequenz der Modulation von 120 bzw. 100 Hz. Es ergibt sich folgender Bezug zu den Frequenzen der Töne: G Gis A B H 98 Hz 103,8 Hz 110 Hz 116,54 Hz 123,47 Hz Die Frage, ob hier eine hörbarer Effekt besteht , muß noch geklärt werden. Es könnte also durchaus sein, daß man für einen „absolut authentischen“ Klangeindruck den Verstärker am besten über einen Umformer mit 60 Hz versorgt. Weiterhin könnte es eine Rolle spielen, daß die Dynamik bzw. die Mittelwerte der Anodenversorgung durch den zeitlich verzögert wirksamen Einfluß des Innenwiderstandes der die Triodenstufe speisenden Versorgungsbaugruppe bei anderen Leistungs-Zeitverhältnissen als diejenigen, mit denen unsere Tests durchgeführt wurden, zu gegenüber dem Originalgerät abweichenden Verhältnissen führen könnte. Die Idee des Low-Noise-Netzteils hat sich zunächst einmal als Irrweg erwiesen. Sie erfüllt ihren eigentlichen Zweck, die Vermeidung des Brumms, nicht, da dieses im wesentlichen durch Einkopplungen in die Gitarre selbst erzeugt wird. Gleichzeitig wird das Klangbild, wahrscheinlich durch das Fehlen der gar nicht al Störung zu betrachtenden 100 Hz-Modulation des Ausgangssignals bei größeren Aussteuerungen und/oder durch noch unverstandene Effekte stark beeinträchtigt. Die gewonnenen Ergebnisse sind aber trotzdem wertvoll und bringen uns weiter. Denn sie zeigen mit Nachdrücklichkeit, wie wichtig die Details des Netzteils für die Klangbildung sind. Es fällt dem ingenieurmäßig Denkendem trotzdem erst einmal schwer, dieses Ergebnis zu akzeptieren Das gewohnte Weltbild muß erweitert werden. Man sieht zudem, wie wichtig selbstkritisches und vergleichendes Arbeiten gerade im Audio- und Musikbereich ist. Man muß sich im Verlauf des Arbeitsprozesses immer wieder neu an einer Gut-Referenz orientieren. Seite 5-11 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker WILDCAT Low Noise Netzteil Die Details der Anodenversorgung Die Ermittlung der Parameter der Originalschaltung des WILDCAT Bassman Plus Diese Messungen wurden bereits ausführlich im Kapitel „Der WILDCAT Bassman Plus“ beschrieben. Die Messungen am WILDCAT Deluxe Plus Die Leerlaufspannung an Trafo ist 385V eff, wenn die Gleichrichterröhre 5Y3 gezogen ist und die anderen Röhren geheizt werden. Gemessen wurde mit einem Digitalmultimeter von einem Anodenanschluß der Fassung der 5Y3 gegen Masse. Die Spannung am Ladekondensator, entsprechend der Kathode der Gleichrichterröhre 5Y3 gegen Masse hat den Mittelwert 397V, wenn kein Eingangssignal am Verstärker anliegt. Seite 5-12 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker WILDCAT Low Noise Netzteil Der Entwurf und die Dimensionierung der “neuen” Schaltung Zunächst wird eine Quelle für die „Rohspannung“ benötigt, die eine brummfreie Spannung mit hinreichend kleinem Innenwiderstand bereitstellt. Um den Entwicklungsaufwand zu senken wird hierfür die bereits für den HiFi-Verstärker BLACK CAT 2 entwickelte Baugruppe für die dortige 450 / 180VVersorgung in Verbindung mit einem noch zu dimensionierenden Netztransformator verwendet. Die folgende Skizze zeigt die geplante Struktur der Schaltung: V1001B 6080 D1 DIODE BRIDGE 5 6 390V Anodenversorgung Bassman L1 INDUCTOR - 4 + 0V + C1 C1 50uF 270u + P1001 50K R1001 0R0 (optional) D1001 BZT03C100 V1001A 6080 3 1 2 R1003 47K / 5W Prinzipschaltbild der Anodenversorgung mit einstellbarem Innenwiderstand Im Folgenden wird die Schaltung dimensioniert. Zunächst soll die benötigte Trafo-Sekundärspannung abgeschätzt werden. Seite 5-13 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker WILDCAT Low Noise Netzteil Um das Verhältnis von ausgangsseitiger Gleichspannung und Trafo-Sekundärspannung bei einem „eher kleinen“ Ladekondensator und einem „eher großen“ Siebkondensator besser einschätzen zu können, wurde die folgende Simulation durchgeführt: Simulationsschaltung und SPICE-Einstellungen zur Ermittlung des Verhältnisses der Ausgangsgleichspannung zur Trafo-Sekundärspannung Die Simulation zeigte das folgende Ergebnis: Die Spannung „hinter“ der Drossel ist 470V, während das Maximum der Spannung „vor“ der Drossel 500V ist, bei einer Peakspannung des Trafos von 520V im Leerlauf. Weiterhin zeigte sich, daß eine Variation des Wertes des Innenwiderstandes des Trafos einen erheblichen Einfluß auf die Ausgangsspannung der Simulationsschaltung hat. Seite 5-14 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker WILDCAT Low Noise Netzteil Das Simulationsergebnis Das Verhältnis der Spannung „hinter“ der Drossel zur Peak-Spannung „vor“ der Drossel ist : 470V / 500V = 0,94. Es werden, im Leerlauf, 516 V „hinter“ der Drossel benötigt. Daraus folgt ein Peak-Wert der Eingangsspannung von 516 V/ 0,94 = 549V. Das entspricht einem Effektivwert der TrafoSekundärspannung von 390V. Da bei der Dimensionierung dieses Trafos eine gewisse Unsicherheit besteht, insbesondere in Bezug auf dessen Innenwiderstand und auf möglicherweise zusätzliche Spannungsabfälle an der Längstriode, die eine höhere Trafo-Sekundärspannung bedingen würden, wird für die Anodenversorgung ein eigener Netztransformator vorgesehen, der im Falle eines Irrtums zu geringeren Kosten ausgetauscht werden kann, als dies bei einem für alle benötigten Spannungen gemeinsamen Trafo mit vielen Sekundärwicklungen der Fall wäre. Zudem werden an der Sekundärwicklung eine gewisse Zahl von Abgriffen vorgesehen, mit denen man die Sekundärspannung schnell und einfach an die tatsächlichen Verhältnisse anpassen kann. Es ist zu beachten, daß ein zu hoher Innenwiderstand des Trafos zu einer (schädlichen) Abnahme der Spannung „vor“ der Triode führt, da diese durch die großen Siebkapazitäten wesentlich langsamer als in der Originalschaltung geschieht, man erhielte also durch die Überlagerung zweier unterschiedlich schnell verlaufender Spannungseinbrüche eine grundsätzlich andere Kurvengestalt. Nun wird die Beschaltung der Längstriode 6080 festgelegt und dimensioniert: Aus früheren Verwendungen der Röhre 6080 ist bekannt, daß eine Gittevorspannung bis hin zu –100V benötigt wird, um die Röhre „hinreichend“ zu sperren. Dies resultiert aus dem geringen Seite 5-15 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker WILDCAT Low Noise Netzteil Innenwiderstand dieser Röhre, der wiederum mit einem geringen Verstärkungsfaktor u von 2 einhergeht. Hieraus folgen die weiteren Festlegungen für die einzelnen Bauteile: D1001: Entsprechend vorstehender Betrachtung wird eine Zenerspannung von 100V benötigt. P1001: Mit 50kOhm ergibt sich eine hinreichend geringe Verlustleistung von 0,2W, es fließen dann 2mA durch das Potentiometer. R1003: Mit 450V Ausgangsspannung verbleiben 350V über R1003. In diesem Fall sollen noch 5mA durch D1001 fließen. Die Verlustleistung an D1001 ist dann mit 0,005A * 100V = 0,5W noch niedrig genug. Der Wert von R1003 ist somit: ( 450V – 100V) / ( 2mA + 5mA) = 50 kOhm. Die Verlustleistung an R1003 ist: 350V2 / 50kOhm = 2,45W. Es wird der nächstliegende Normwert 47K gewählt. Es soll noch der Fall der höchstmöglichen Ausgangsspannung von ca. 510V betrachtet werden: Durch R1003 fließen dann (510V – 100V) / 47K = 8,72mA. Damit ergeben sich die folgenden Verlustleistungen: P Diode D1001 = 6,72mA * 100V = 0,672W P Widerstand R1003: 410V2 / 47K = 3,57W Die endgültige Auswahl der Bauelemente erfolgt dann entsprechend dieser Verlustleistungen. Der Widerstand R1001 erlaubt es, wenn man ihn entfernt, nur ein Röhrensystem der 6080 zu verwenden, um eine „steilere“ Kennlinie zu bekommen. Von dieser Möglichkeit wurde im abschließenden Zustand der realisierten Schaltung tatsächlich Gebrauch gemacht. Die Heizfäden der Röhre werden aus einer eigenen, potentialfreien Heizwicklung gespeist. Zwischen Kathode und Heizkreis wird ein Widerstand mit dem Wert 10kOhm vorgesehen, um die Potentiale von Heizkreis und Kathode aneinander anzugleichen. Seite 5-16 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker WILDCAT Low Noise Netzteil Die Details der anderen Komponenten des Netzteils Allgemeines Das Low-Noise-Netzteil sollte dazu in der Lage sein, die Original-Netzteile der Verstärker WILDCAT Bassman Plus und WILDCAT Deluxe Plus vollständig zu ersetzen. Neben der bereits besprochenen Anodenversorgungsspannung werden auch noch verschiedene andere, weitere Spannungen benötigt, deren Bereitstellung im Folgenden beschrieben wird. Die Heizspannung für die Endröhren: Die Heizung der Endröhren geschieht nach wie vor mit Wechselspannung. Der Grund dafür sind die hohe benötigten Ströme, die sich nur mit großem Aufwand bei Verwendung einer stabilisierten Gleichspannungsquelle bereitstellen lassen, während gleichzeitig die hohen Signalpegel an den Endröhren die vorhandene Störbeeinflussung praktisch unbedeutend machen. Die „Richtigkeit“ der Beibehaltung der Wechselstromheizung der Endröhren wurde bereits beim HiFi-Verstärker BLACK CAT 2 nachgewiesen. Es sind 2 Endröhren des Typs 6L6 bzw. 5881 vorhanden, damit werden zweimal 6,3V bis 900 mA , entsprechend 6,3V bei 1,8A benötigt. Es wird eine Trafowicklung mit 6,3V / 1,8A vorgesehen. Die Heizspannung für die Vorröhren und die Gleichrichterröhre/Längstriode: Die Vorröhren werden mit Gleichspannung geheizt. Hierbei werden die folgenden Heizströme, bei einer Spannung von 6,3V, benötigt. Board WILDCAT Bassman Plus: 5 X ECCxx = 5 x 6,3V / 300mA = 1,5A Board WILDCAT Overdrive (in seiner ursprünglich geplanten Version) 1 x ECC83 + 3 x ECC99 = 0,3A + 3 x 0,8A = 2,7A In der Summe werden 4,2A bei 6,3V benötigt. Dieser Heizstrom wird mit 2 Spannungsregler-Baugruppen mit je 4 Ausgängen 6,3V / 0,8A, die bereits für den HiFi-Verstärker BLACK CAT 2 entwickelt wurden bereitgestellt. Nähere Informationen über diese Baugruppen findet sich unter: http://www.emsp.tu-berlin.de/lehre/mixed-signal-baugruppen/AbschlussberichtWS2003_4 Zur Speisung dieser Baugruppen werden zwei Trafo-Sekundärwicklungen zu je 7,5V / 3A benötigt. Für die Heizung der Gleichrichterröhre bzw. der Längstriode 6080 wird eine weitere Heizwicklung benötigt. Die, alternativ zueinander, zu heizenden Röhren haben den folgenden Strom/Spannungsbedarf: GZ34: 5V / 1,9A 6080: 6,3V / 2,5A Hier kann selbstverständlich mit Wechselstrom geheizt werden, da an dieser Stelle keinerlei Angriffspunkte für Störeinstreuungen bestehen. Es wird eine Trafowicklung 6,3V / 2,5A mit einer Anzapfung bei 5,0V vorgesehen. Seite 5-17 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker WILDCAT Low Noise Netzteil Die Hilfsspannung +12V für Relais und weitere Anwendungen Es wird, wie beim HiFi-Verstärker BLACK CAT 2, eine Hilfsspannungsquelle mit 5V / 0,4A vorgesehen. Zu deren Erzeugung wird die bereits im vorangegangenen Kapitel besprochene Netzteilbaugruppe zur Versorgung des Federhalls und des Overdrives eingesetzt. Diese erzeugt die +12V-Spannung mit Hilfe eines Spannungsverdopplers aus einer Wechsel-Eingangsspannung von 6,3V. Daher wird eine Trafowicklung 6,3V / 1A vorgesehen. Die Anodenspannung für Federhall und Overdrive Hier wird die bereits im vorangegangenen Kapitel besprochene Netzteilbaugruppe zur Versorgung des Federhalls und des Overdrives eingesetzt, die eine Ausgangsspannung von ca. +450V bereitstellt. Für diese wird eine Trafowicklung 320V / 0,22A benötigt Die negative Gittervorspannung für die BASSMAN-Endstufe Hier werden –60V bei 0,8mA gebraucht. Die Trafo-Sekundärspannung ist dann 60V / 1,41 = 42V. Es wird eine Trafowicklung 42V / 0,01A benötigt. Gleichrichtung und Siebung werden mit der bereits für den HiFi-Verstärker BLACK CAT 2 entwickelten Baugruppe „Versorgung +450 / -180V“ vorgenommen. Hinweis: Bei der Inbetriebnahme wurde jedoch eine zu geringe Gittervorspannung festgestellt. Der Entwurf müsste an diesem Punkt noch einmal verändert werden. Der Netztransformator Anstelle eines einzelnen, damit sehr komplizierten und teuren, Netztransformators werden die benötigten Spannungen auf zwei Transformatoren aufgeteilt. Damit soll auch das kostenmäßige Risiko gemindert werden, wenn sich herausstellen sollte, daß eine Neudimensionierung des die Anodenversorgungen speisenden Transformators notwendig wäre. Seite 5-18 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker WILDCAT Low Noise Netzteil Es ergeben sich die folgenden Skizzen der benötigten Transformatoren: Trafo 1: 6,3V / 3,2A 7,5V / 3A 230V 7,5V / 3A 6,3V / 1A 320V / 0,22A Die Heizwicklung wird mit 3,2A ausgeführt, um auch für zukünftige Anwendungen 2 Röhren KT88 betreiben zu können. Seite 5-19 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker WILDCAT Low Noise Netzteil Trafo 2: 6,3V / 2,5A 5V / 2,5A 0V 42V / 0.05A 0V 420V / 0,6A 230V 400V / 0,6A 380V / 0,6A 360V / 0,6A 340V / 0,6A 0V 6,3V / 2,5A Die Anodenwicklung wird mit 600mA spezifiziert, das ist etwa das doppelte der maximalen Anodenstromaufnahme des Bassman von 260mA. Damit kann dann mit einem hinreichend geringen Innenwiderstand gerechnet werden. Seite 5-20 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker WILDCAT Low Noise Netzteil Der Test und die Inbetriebnahme des Low-Noise-Netzteils Der grundlegende Test der Anodenversorgung Zunächst wurde die grundlegende Arbeitsweise der Schaltung in der folgenden Konfiguration überprüft: - Trafo-Sekundärspannung = 380 V eff Zwei Systeme der 6080 benutzt Marshall-Siebdrossel (TAD) an Anodenversorgungsbaugruppe wie in Schaltbild vorhanden Der Ausgang der Anodenversorgung wurde mit verschiedenen Lastwiderständen belastet. Zuvor wurde eine Gittervorspannung von –15V eingestellt. Externe Last = unendlich, aber interne Last auf 6080 Board = 100K Potentiale gegen Masse: Kath. 6080 Gitter 6080 Anode 6080 506V 492V 544V „Original“-Bassman-NT mit Last 100kOhm: 516V „Original“-Bassman-NT mit Last 6,87kOhm: 472V „Original“ –Bassman-NT mit Last 1,5kOhm: 390V Mit Last 6K6: ( = Bassman ohne Signal) Potentiale gegen Masse: Kath. 6080 Gitter 6080 Anode 6080 476V 456V 530V Mit Last 1K5: ( = Bassman vollausgesteuert) Potentiale gegen Masse: Kath. 6080 Gitter 6080 Anode 6080 388V 370V 478V Man erkennt, daß die Spannungsverhältnisse bis auf kleine Abweichungen mit denen des „Originals“ identisch sind. Die Messwerte sollen jedoch noch ein wenig genauer analysiert werden: Zunächst wird die Spannung über der Röhre 6080 bei den verschiedenen Belastungszuständen verglichen: Spannung über 6080 bei Rl = 100K: Spannung über 6080 bei RL = 1K5: 38V 90V Differenz zwischen den verschiedenen Belastungszuständen: 90V – 38V = 52V Nun wird die Eingangsspannung der Triodenbaugruppe (Anode der 6080) bei verschiedenen Belastungszuständen miteinander verglichen. Potential Anode 6080 bei RL = 100K: Potential Anode bei RL = 1K5: 544V 478V Seite 5-21 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker WILDCAT Low Noise Netzteil Differenz zwischen den verschiedenen Belastungszuständen: 544V – 478V = 66V Zum Vergleich wird die Differenz der Ausgangsspannung der Schaltung bei verschiedenen Belastungszuständen ermittelt: Potential Kathode 6080 bei RL = 100K: 506V Potential Kathode 6080 bei RL = 1K5: 388V Differenz zwischen den verschiedenen Belastungszuständen: 506V – 388V = 118V Man erkennt, daß der relative Einfluß des Innenwiderstandes der der Triodenstufe vorgeschalteten Versorgungsschaltung recht groß ist. Das bedeutet, daß, bei impulsförmiger Belastung der Quelle, der Mittelwert der Ausgangsspannung mit steigendem Tastverhältnis der impulsförmigen Belastung abnimmt. Um für den nun folgenden dynamischen Test, mit 1kHz Sinusbursts mit einer Wiederholrate von 0,5Hz, zum „Originalgerät“ identische Spannungsverhältnisse zu schaffen mußten daher die Einstellung für die Gittervorspannung der 6080 und die Auswahl der Trafo-Sekundärspannung bei angeschlossenem WILDCAT Bassman und bei Anliegen des Sinusburst-Testsignals wiederholt werden. Es wurde eine Einstellung gefunden, bei der sich zum „Originalgerät“ identische Spannungen und Kurvenformen ergaben. Diese, abschließende, Konfiguration ist wie folgt: - Trafo-Sekundärspannung = 420 V eff Nur ein System der 6080 benutzt Drossel an speisender Anodenversorgungsplatine überbrückt Die Drossel wurde stattdessen „direkt vor“ die Anode der 6080 gesetzt, um das Zeitverhalten zu „versteilern“ der Einfluss dieser Maßnahme ist aber vernachlässigbar klein. In dieser abschließenden Konfiguration ergaben sich bei Anschluß der Schaltung an den WILDCAT Bassman ohne anliegendes Eingangssignal die folgenden Spannungen: U Anode 6080 (gegen GND) U Kathode 6080 (gegen GND) Ugk (Kathode gegen Gitter) 6080 = 596V = 448V = -52V Die gemessenen Werte sollen nun im Kennlinienfeld der Röhre 6080 nachvollzogen werden: Die Anodenspannung der Röhre ist 596V – 448V = 148V Die Stromaufnahme des WILDCAT Bassman aus der Anodenversorgung ohne anliegendes Eingangssignal ist, wie bereits durch Messung bestimmt wurde, 68mA Seite 5-22 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker WILDCAT Low Noise Netzteil Auszug aus dem Datenblatt 6080 von Philips, Stand 1960 Man erkennt, daß eigentlich eine Gittervorspannung von 60V vorhanden sein müßte, tatsächlich waren aber 52V eingestellt. Diese Abweichung liegt mit 15% jedoch noch innerhalb der üblichen Toleranzen bei Röhrenschaltungen, zudem ist zu bedenken, daß die Gittervorspannung durch rechnerische Differenzbildung aus zwei deutlich größeren, mit dem Oszilloskop abgelesenen Spannungen ermittelt wurden, ein Meßfehler von nur 1% beim Ablesen der Spannungen führt zu einem Meßfehler von schon 10% bei der Betrachtung der Differenz. Der grundlegende Test des allgemeinen Brummverhaltens Der WILDCAT Bassman wurde wie folgt eingestellt: Standard-Signalweg ohne Hall mit Klangregelnetzwerk direkt vor Endstufe VOL links = 10 VOL rechts = 0 Treble = 10 Bass = 10 Middle = 10 Presence = 10 Kein Gitarrenkabel, der Eingang war unbeschaltet und daher durch den Schaltkontakt der Klinkenbuchse kurzgeschlossen. Zunächst wurde der Verstärker mit einem „Original-Netzteil“ betrieben: Die ausgangsseitige Gesamt-Störspannung betrug 120mVss an einer 2 Ohm Dummy-Load Seite 5-23 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker WILDCAT Low Noise Netzteil Diese Spannung teilte sich ungefähr in die folgenden Komponenten auf: 50 Hz-Brumm: 100 Hz-Brumm: Rauschen: 100mVss 50 mVss 50mVss Nun wird der Verstärker vollständig aus dem Low-Noise-Netzteil versorgt: Die ausgangsseitige Störspannung sinkt auf 80mVss an einer 2 Ohm Dummy-Load. Sie besteht nur noch aus den Komponenten 100 Hz und Rauschen, es ist kein 50 Hz-Signal mehr enthalten. Es wird eine Beeinflussung des 100 Hz-Brumms durch das in die Nähe bringen der Hand an bestimmte Regionen der Leiterplatte beobachtet. Daraus kann man schließen, daß das verbleibende Brummen zu einem gewissen Teil durch Einstreuung in die nicht abgeschirmte Oberseite der Leiterplatte zustandekommt. Nun wird eine Gitarre an den Eingang angeschlossen. Die Störspannung steigt auf ca. 600mVss an einer 2 Ohm Dummy-Load an. Die von der Gitarre kommenden Störungen sind nicht sinusförmig sondern kurzzeitige Nadeln mit einer Widerholfrequenz von 50 und 100 Hz. Das Gesamtbrummen wird durch Einstreuungen in die Gitarre dominiert, daher wird die akustische Wahrnehmung des Brummens durch das neue Netzteil nicht wesentlich beeinflusst. Der Test des dynamischen Verhaltens der Anodenversorgung Der bereits beschriebene Test des dynamischen Verhaltens der Anodenversorgung und des Ausgangssignals des „Original“-Bassmans bei Beaufschlagung mit einem 1kHz-Sinusburst mit einer Wiederholrate von 0,5 Hz wurde bei dem nun mit dem Low-Noise-Netzteil versorgtem Verstärker wiederholt. Seite 5-24 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker WILDCAT Low Noise Netzteil Zunächst wurde der Verstärker so weit ausgesteuert, daß er noch im „cleanen“ Bereich arbeitet: Für alle Messungen gilt: Tastkopf 1 zu 100, GND-Potential in der Bildschirmmitte Mit „Original“-Netzteil Mit Low-Noise-Netzteil Ausgangssignal an 2 Ohm-Dummy-Load Anodenversorgungsspannung Endstufe Spannung „hinter“ der Siebdrossel des Bassman Man erkennt, daß die Verläufe der Versorgungsspannungen sehr ähnlich sind, bei der Versorgung mit dem Low-Noise-Netzteil fehlt natürlich der 100 Hz-Brumm, man erkennt aber auch, besonders an der untersten Kurve, das „langsame Nachsacken“ der Spannung aufgrund des Innenwiderstandes der der Triodenstufe vorgelagerten Versorgungsbaugruppe. Seite 5-25 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker WILDCAT Low Noise Netzteil Die Aussteuerung wurde nun soweit erhöht, daß bereits ein Clipping stattfindet, aber noch kein „vollständiges Rechtecksignal“ aus dem Verstärker kommt. Mit „Original“-Netzteil Mit Low-Noise-Netzteil Ausgangssignal an 2 Ohm-Dummy-Load Ausgangssignal an 2 Ohm-Dummy-Load, zeitlich gedehnt Anodenversorgungsspannung Endstufe Seite 5-26 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker WILDCAT Mit „Original“-Netzteil Low Noise Netzteil Mit Low-Noise-Netzteil Spannung „hinter“ der Siebdrossel des Bassman Seite 5-27 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker WILDCAT Low Noise Netzteil Die Aussteuerung wurde weiter erhöht, bis in den „harten“ Overdrive hinein. Mit „Original“-Netzteil Mit Low-Noise-Netzteil Ausgangssignal an 2 Ohm-Dummy-Load Ausgangssignal an 2 Ohm-Dummy-Load, zeitlich gedehnt Anodenversorgungsspannung Endstufe Seite 5-28 Abschlußbericht Mixed Signal Baugruppen 2006/7 Gitarrenverstärker WILDCAT Mit „Original“-Netzteil Low Noise Netzteil Mit Low-Noise-Netzteil Spannung „hinter“ der Siebdrossel des Bassman Spannung „hinter“ dem ersten Siebwiderstand des Bassman Auch bei diesen Aussteuerungen zeigt sich eine weitgehende Ähnlichkeit der Kurvenformen. Der abschließende klangliche Test wurde bereits beschrieben. Der Test der anderen Komponenten des Netzteils Die anderen Komponenten des Netzteils arbeiteten wie erwartet. Lediglich zeigte sich die negative Gittervorspannung für die Bassman-Endstufe aufgrund eines Entwurfsfehlers als ein wenig zu gering. Da sich aber aufgrund der anderen Testergebnisse abzeichnete, daß es nicht zum praktischen Einsatz des Low-Noise-Netzteils kommen wird, wurde dieser Punkt nicht mehr betrachtet. 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