Selbstbau Amp mit Schaltnetzteil endlich fertig

Moin!

So, meine Eigenbauendstufe mit Schaltnetzteil ist endlich fertig!
Ich freue mich dieses nicht ganz alltägliche Selbstbauprojekt hier zu präsentieren und hoffe auf eine nette Diskussion.

Wie alles begann
Manch einer erinnert sich vielleicht noch an folgenden Thread:
http://www.paforum.de/phpBB/viewtopic.php?t=18985
...in dem „Stone“ irgendeinen Dynacord Amp mit nem SMPS nachrüsten wollte.
Da ich meine Amps immer schon selbst gebaut habe, aber bis dahin Ringkerntrafos verwendet habe und mein Rücken keinen Bock auf Ringkerntrafos hat nahm ich diesen Thread zum Anlaß endlichen mit einem eigenen SMPS anzufangen.

Ein paar Wochen nach diesem Thread folgte der erste Prototyp, ein Gegentaktwandler (Push-Pull) auf Lochraster mit ETD59 Trafo und 75kHz... An einem Labornetzteil mit 30V funktionierte er ein bissl und man konnte Kupferdräht die man um den Ferrittrafo drumherumtüdelte abfackeln. Radio in der Werkstatt ging nicht mehr wenn das Teil lief...

Mit den ersten praktischen Erfahrungen begab ich mich dann vom Lochraster zur gerouteten Platine. Wieder ein Gegentaktwandler, 75kHz, funzte schon besser, war aber aus verschiedenen Gründen zum Scheitern verurteilt. :cry:

Per „PN“ hab ich mich zwischendurch immer ein bissl mit einem ehemaligen Mitglied aus dem Forum ausgetauscht und bald entstand der nächste Proto auf gerouteter Platine. Eine ungeregelte asymetrische Halbbrücke (75kHz) mit geregelter Boost-PFC (80kHz). PFC ging bis 400W. Mehr ging leider nicht, da ich damals noch nicht wusste wie man HF-Speicherdrosseln vernünftig designt. Die asymetrische Halbbrücke ging bis ca. 600W. Verhalten analysiert, im Internet gewühlt und als ich irgendwann glaubte alle Fehler und Schwachpunkte identifiziert zu haben kam die nächste Runde:

Eine ungeregelte 3,5kW-Vollbrücke (ETD59, 95kHz) mit vorgeschalteter geregelter ca. 1,6kW Boost-PFC (125kHz).


Das war der erste echte Durchbruch : Keine Störungen mehr im Radio, und die Vollbrücke pumpte 3500W vom Zwischenkreis auf die Sekundärseite. Die PFC zog bis zu 1600W mit einem cos Phi von fast 1 aus dem Netz. Die Kühlkörper der PFC waren etwas knapp bemessen :? , aber es ging. Leider war der Zwischenkreis zu klein ausgelegt und das (ungeregelte) Netzteil hatte nicht das Durchhaltevermögen um beim Nulldurchgang der Netzspannung den Amp an 4 Ohm mit genügend Spannung zu versorgen um ihn voll auszureizen. :cry:

Da das Gehäuse zu klein war um einen größeren Zwischenkreis zu spendieren entschied ich mich am Ende ein neues Schaltnetzteil zu entwickeln:
Geregelte Vollbrücke, 100kHz, keine PFC. Den Zwischenkreis vergrößerte ich nicht sondern ließ ihn bei 2x680uF. Die Regelung würde den Spannungseinbruch ausgleichen und ein schlanker Zwischenkreis ist etwas netter zum Stromnetz... Leider gab es EMV-Probleme, wenn man hohe Ströme abnehmen wollte rasselte der Trafo. Zu dieser Zeit war „Manuela“ auch gerade voll an ihren Amps dran und ein bisschen pn-Verkehr endete schließlich mit folgendem Thread:
http://www.paforum.de/phpBB/viewtopic.php?t=44393

Irgendwann bin ich dann selbst auf die Lösung des Problems gekommen –zumindest habe ich die Ursache vermutet- und entwarf das nächste Layout. Volltreffer, SMPS funzt!
Das endgültige SMPS im Amp:

Die 4 Fetties der Vollbrücke mit Ansteuerübertrager:

Amp ohne Frontplatte:

Ein Endstufenmodul:

Opfer
Ich bin selbst überrascht, aber ich habe keinen einzigen MOSFET abgeschossen, lediglich eine Z-Diode musste aus Unachtsamkeit dran glauben und dann ist da noch ein 2W Widerstand „karbonisiert“ :twisted: worden.

Technische Daten der Endstufe

Aufbau: Ähnlich der alten PAM-Serie von ECLER

Topologie: Class AB, je 16Mosfets, aber mit „Source“ am Rail statt am LS-Ausgang
Ausgangsleistung:
Sinus: 2x650Wrms @ 4Ohm
Musik Fullrange: 2x700Wrms @4Ohm
Musik (MT/HT): 2x750Wrms @4Ohm
Dämpfungsfaktor:
4Ohm, 50Hz: >3000
4Ohm, 1kHz: >500
Frequenzgang:
linear von 20Hz bis >25kHz
Restrauschen
(Eingänge offen, Pegelregler voll auf):
Hörbares Spektrum: <<2mV
Nichthörbares Spektrum: 200kHz, sinusförmig, 25mVp (Restmüll vom SMPS)
An einem Top ist aber auch bei absoluter stille nahezu kein Rauschen hörbar.

Risetime und so ein Zeug kann ich z.Zt. nicht messen, da mein Funktionsgenerator jeden Tag ein bisschen mehr kaputt ist...
Für den Klirrfaktor hab ich keine Instrumente. Auf dem Oszi siehts aber gut aus.

Clipping-Verhalten
Es ist kein Preclipper verbaut und die Endstufe clippt trotzdem sehr sauber. Lediglich ab 5-10kHz wenn man so übersteuert das im Prinzip fast nur noch Rechteck rauskommt sind für einen kurzen Moment nach dem Clip ein paar kleine Verzerrungen sichtbar. Aber wer macht schon sowas...

Schutzschaltungen
- Kurzschluss
- DC (per Netzteilabschaltung)
- HF
- Übertemperatur (mit Vorabwarnung)
- Einschalttransienten
- Selbstüberwachung beim Einschalten (abnormale Ruheströme usw)
- LS wird nur an den AMP geschaltet wenn keine Fehler vorliegen
- Ausgangsrelay schaltet immer stromlos
- Überspannungsabschaltung
- SMPS-Überstromabschaltung

Alle Schutzschaltungen werden per Microcontroller koordiniert. Oberstes Ziel ist Schutz der LS, Ohren und des Amps vor vermeidbarer umfangreicher Selbstzerstörung im Fehlerfall.

Indicator-LED’s
- Versorgungsspannung +5V
- Versorgungsspannung –15V
- Protect
- Active
- Signal
- Clip
- Temperaturwarnung

Dabei ist bei der Clip-LED zu erwähnen dass diese nicht an irgendeinen Eingangspegel gekoppelt ist, sondern nur dann leuchtet wenn der Amp wirklich clippt, egal wieviel Spannung gerade am Ausgang liegt.

Gewicht
12,5KG

EMV
Ich habe zwar leider keinen Rohde & Schwarz-Messplatz zur Verfügung aber ich kann mit 99% Sicherheit sagen dass von dem Ding keine EM-Störungen ausgehen.

Das Thema Sicherheit
Das Netzteil stellt die galvanische Trennung zwischen primär und sekundärseite dar.
Um diese Trennung zu gewährleisten müssen ein paar Punkte beachtet werden.
Zum einen habe ich auf der Schaltnetzteilplatine zwischen primär und sekundärseite eine geerdete Leiterbahn gezogen und zudem auf Abstände >>5-6mm zwischen Leiterbahnen der Primärseite und anderen Leiterbahnen geachtet. Zudem ist die ganze Platine anschließend mit Poly-Urethan-Lack versiegelt worden. Das Zeug isoliert mit über 80kV/mm und verträgt hohe Temperaturen. Zudem ist es laut Hersteller auch zum Trafobau geeignet.
Der Schaltnetzteiltrafo ist selbstgewickelt. Innen befindet sich die Primärwicklung mit Poly-Urethan-Veriegelung. Drumherum Trafo-Tape, Poly-Urethan und eine Lage Kupferfolie, die direkt mit PE verbunden ist. Zwischen Kupferfolie und Primärwicklung befinden sich mehrere Millimeter Poly-Urethan (>80kV/mm) und Trafo-Tape. Zwischen PE-Kupferfolie und Sekundärseite eine ähnlich dicke Isolierung. Der Trafo hat anschließend mehrere Minuten einer Spannung von 2000V standgehalten.

Kosten des fertigen Gerätes
(ohne Entwicklungskosten, 100% Industrieware, Farnellpreise):
Endstufenmodul: je ca. 150EUR
Schaltnetzteil: ca. 200EUR
Gehäuse: ca. 60EUR
Steuermodul: ca. 75EUR
Und nochmal diverses Gedöns: max. 150EUR

Summe: 785EUR

Auch mit dem letzten SMPS konnte ich die 800Wrms des Endstufenmoduls nicht voll ausreizen. Ist aber schon nicht schlecht und für den Preis werde ich mir dieses Jahr auf jeden Fall noch eine bauen. Die wird besser, billiger und leichter, da ich feststellen musste, dass für die Endstufe auch halb so große Kühlkörper ausreichen...

Schaltpläne?
Die Materialkosten des "Endproduktes" liegen bei 785EUR. Wie lang der Weg bis zum engültigen SMPS war steht ja oben. Wie hoch die Entwicklungskosten waren kann sich dann ja jeder denken. Pläne gibt's also nicht. :wink:
Ich freue mich aber über jeden der sich ernsthaft mit sowas beschäftigt. Wer selber mit sowas rumbastelt und dabei auf Probleme stößt kann gerne mit seinen Fragen an mich herantreten.

MFG

Thanx!

Das Schaltnetzteil sieht jetzt so aus:

An Platz kann man nicht mehr viel rausholen, höchstens bei höherem F einen ETD49 statt dem ETD59. Die beiden Drosseln L1 und L2 konnte ich gegenüber der letzten Version nochmals verkleinern, die passen jetzt sogar mit unter den L-Profil Kühlkörper der HF-Gleichrichtung...

Weshalb wird er mit steigendem F niederohmiger? Ok ich brauche weniger Trafowindungen, aber ob das viel macht?

Zitat

Anordnen: SNT in Gehäusemitte, links und rechts Kanäle hochkant, ganz außen die Kühlschächte. (Back to Front, Auslaß mittig )

Wollte ich erst so machen, denn dann kann ich mit der Abluft der Amps auch noch das SMPS kühlen und eventuell sogar 2HE erreichen...
Habs aber erstmal rechts hingepackt weil ich den HF-Müll möglichst weit vom Analog-Kram weghaben wollte. Habe aber festgestellt dass das gar nicht sooo kritisch ist wenn man aufpasst.

Oder weiß zufällig jemand wo es die Plastikspulenträger für den ETD59 in stehender ausführung gibt? *unbedingt*haben*will*

test:
Ich persönlich glaube das ein Class-D im HT-Bereich niemals so wirklich an einen Class AB, H oder G drankommen wird :roll: . Für den Bass- und MT-bereich ist es eine nette Gewichtsersparnis und ich mache mir seit einiger Zeit auch schon ein paar Gedanken dazu wie man sowas am besten realisieren kann ...

Zitat

das würde das basteln doch deutlich vereinfachen oder?

Och, Spass solls ja auch noch machen...

rockopa:

Zitat

Die Ansteuerung der Mosfets im SNT machst du offenbar mit Übertrager; hast du die gängigen Treiber IR21xx auch mal probiert

Ja ich benutze Übertrager, die IR’s hab ich nicht probiert. Die Übertrager funktionieren ganz ausgezeichnet. Und wenn doch mal ein Fettie durchknallt dann bleibt der Rest heile. Ich achte bei meinen Designs auf Schadensbegrenzung, Langlebigkeit und „Reparierbarkeit“.

Zitat

Das SNT ist geregelt; wie hast du die Pole vom Regler festgelegt? Empirisch durch untersuchen des Verhaltens bei Lastsprüngen oder durch Simulation (stelle ich mir schwierig vor)? Wie hast du die Stabilität der Regelung für alle Belastungsfälle nachgewiesen?

Den PI-Regler hab ich mit den Übertragungsfunktionen mal grob durchgerechnet, damit ich weiß wo ich mit den Bauteilwerten etwa hinmus. Mit idealen Bauteilen und wenn man alle Übertragungsfunktionen genau kennt ist eine Berechnung eines Regelkreises ganz gut und vor allem realitätsnah machbar. Ich kenne aber die genauen Übertragungsfunktionen des SNT nicht und manche Bauteile altern und ändern damit ihre Parameter, wie z.B. der Optokoppler der die analoge Stellgröße galvanisch getrennt von der Regelung an den PWM-Generator überträgt. Daher auch nur „grob“ durchgerechnet.
Ich hab die berechneten Werte benutzt und mit Speicheroszi und Co das Regelverhalten bei Lastsprüngen genau geprüft. Dann noch ein bissl von Hand nachgebessert – fertig.
Die Stabilität wurde durch Messungen geprüft, das Ding ist ganz zahm.

Zitat

Wieso baust du den Audioverstärker mit Mosfets? Die IRFxxxx sind ja nicht vernünftig komplementär oder hast du andere Typen mit besseren Eigenschaften verwendet.

Die Mosfets sind spannungsgesteuert und sehr schnell. Hinzu kommt das sie keinen Speichereffekt aufweisen, wenn man sie beim Clipping in die Sättigung getrieben hat. Außerdem hat der bei hohen Temperaturen positive Temperaturkoeffizient des Innenwiderstandes Vorteile gegenüber dem Bipolar-Transistor.

Ich benutze auf Ugs selektierte Fairchild Mosfets, komplementär sind die ganz und garnicht, da muss ich dir recht geben. Sie sind so verschaltet, dass sie mit den Source-Anschlüssen an den Rails hängen. Damit fällt der Nachteil der hohen Ugs-Schwellspannung praktisch weg. Außerdem kann der Amp dem LS-Ausgang auf bis zu 1-2V an das Rail bringen, da der Rds(on) der Fetties recht klein ist. Das kann einer normaler Bipolar-Amp nicht.

Der Leistungsteil bildet dann eine spannungsgesteuerte Stromquelle. Vorn sitzt ein guter OP, dessen Ausgangssignal bestimmt dann den Strom der in den LS geht. Feedback natürlich wie üblich über die Spannung.

Vor vielen Jahren hab ich mal eine ECLER PAM960 nachgebaut. :oops: Die ECLER PAM’s find ich Klasse. Mein jetziger Amp lehnt sich von den Grundzügen her noch daran an...

Zitat

Wie hast du die Temperaturkompensation des Ruhestromes realisiert?

Die Fetties am positiven und negative Rail haben jeweils ihre eigene Temperaturkompensation in From eines Bipolartransistors. Diese sind in der Schaltung zwischen dem Front-End OP und dem Leistungsteil verwurstet. Funzt sehr stabil.
Man könnte die positiven und negativen Fetties theoretisch sogar auf zwei getrennte Kühlkörper montieren ohne Probleme zu bekommen.

Was ich da gemacht habe sieht recht unkonventionell aus :shock: . ECLER macht es ähnlich, die haben jetzt in den großen PAM’s sogar nur noch N-Channel Fetties drin, das wird auch bei mir der nächste Schritt. :wink:
Im Vergleich zu den Standart-Bipolar-Endstufen die ich früher mal gebaut hatte finde ich diese Topologie etwas besser. Mehr Druck untenrum und oben klar und präzise und auch nach Stunden nicht nervig. Aber das ist ja immer rein subjektiv.

rockopa:

Zitat

Dann ist die Schaltungs-Topologie sinngemäß die gleiche wie bei vielen QSC-amps (nur halt bei dir mit Mosfets) ; da hängen die Kollektoren zusammen auf Masse und die Emitter auf den rails.

Ja, allerdings hängen bei mir die Kollektoren (bzw. hier Drains) nicht auf Masse sondern am LS. Bei manchen QSC's wird das Netzteil ja nach Masse belastet.

Zitat

Hast du im Kühlkörper einen Temperaturgradienten festgestellt?
Je nach Kühlkonzept und Wärmeleitfähigkeit des Kühlkörpers ergeben sich teilweise zwischen den Transistoren erhebliche Temperaturdifferenzen; wenn die Fets einen TK haben, der dem entgegenwirkt, ist das natürlich weniger problematisch

Nunja, der Kühlkörper ist ein ziemlich dicker Metallklotz. Die beiden Transistoren zur Temperaturkompensation des Ruhestromes habe ich vorsichtshalber vorn dran gemacht, wo die warme Luft raus kommt. Da ist es in der Tat etwas wärmer als hinten wo der Lüfter reindrückt.

stone:
Salzburg ist leider ein bissl weit.
Zum Thema HF: Ich habe mal ein Radio neben der Netzleitung platziert, von LW, MW, KW und UKW keine Probleme. Der Netzfilter ist so eine fertig Kiste, reichlich überdimensioniert. Korrekt eingebaut macht er einen guten Job.
Oberwellen ist natürlich was anderes, ich hab ja keine PFC drin. Der Zwischenkreis ist aber schlank, da haben andere (ungeregelte) Kisten viel mehr drin...
Ich habe aber das Glück mir bei Bedarf einen guten Oberwellenanalysator ausleihen zu können . Werde ich demnächst mal drauf zurückgreifen...

Manuela hat recht, die Treibertrafos runden die Kanten schön ab.

Henne:
Es gibt verschiedene Typen von resonanten Designs:
Die mit L und C in Reihe zum Trafo...

...und dann sogenannte ZVT-Designs (Zero-Voltage-Transistion). Da ist ein L in Reihe zum Trafo und zu jedem Fettie ein kleines C parallel.
Vorteil: Diese Schaltung greift nur während der Kommutierung. Wenn man die Fetties in einer bestimmten Reihenfolge ausmacht kann man erreichen, dass die Schaltung selbsttändig und "langsam" (also rund und mit wenig Oberwellen) in einen Zustand läuft in dem über den Fetties die als nächstes an der Reihe sind die Power zu führen 0V anliegt. Dadurch hat man keine Einschaltverluste. Ebenso bleiben beim Ausschalten die 0V wegen dem paralellen C kurz am Fettie bestehen und er kann nahezu verlustlos ausschalten. Es bleiben also (fast) nur noch die ohmschen Verluste im Fettie wenn da ein paar Ampere durchgehen...

So wird mein nächstes SMPS höchstwahrscheinlich arbeiten. Dann kann ich mit der Taktfrequenz hoch und einen ETD49 stehend nehmen -> Platz gespart.

Zum Radio:
LW: ca. 150-300kHz
MW: 520-1600kHz

bei F = 100kHz kann man damit schon mehr als 10 harmonische Erfassen. Bei meiner PFC hat das ganz gut geklappt man konnte mit der Antenne die "Lecks" ganz gut orten.
Ist natürlich nichts im Vergleich zu einem richtigen EMV-Messplatz...

Zitat

Also größere Ströme per IGBT bewältigen als es laut Datasheet erlaubt ist?

Nö, sollte man nicht machen.

Im Datenblatt stehen in der Regel mehrere Angaben. Was zählt ist der Dauerstrom, der als RMS-Effektiv-Wert angegeben wird. Völlig egal wie groß (und dabei zeitlich schmal) deine Stromimpulse sind, solange der Effektivwert unter dem im Datenblatt angegebenen Wert für den max. Dauerstrom bleibt geht das. Der dabei tatsächlich auftretende Spitzenstrom (das ist kein Effektivwert) muss natürlich unter dem im Datenblatt angegebenen Maximalwert bleiben, kann dann aber ein vielfaches des RMS-Wertes für den Dauerstrom sein.

Wieso überhaubt IGBT's?
Die sind doch total langsam. OK in einer resonanten Anordnung mit L und C in Reihe zum Trafo gehen die auch recht hoch, QSC machts ja vor...
(Viele Schaltpläne kann man da übrigens kostenlos runterladen)
In dem Leistungsbereich in dem wir uns hier bewegen sehe ich aber keine besonderen Vorteile im IGBT. Der IGBT spielt seine Vorteile gegenüber dem MOSFET erst bei riesigen Strömen aus, z.B. in Frequenzumrichtern für Drehstromasynchronmotoren (4-5kHz >>10kW).

FH Osnabrück. Die Scheine hab ich alle z.Zt. Praxissemester dann Dipl-Arbeit

Ja nettes Projekt, funzt immer noch wie am ersten Tag. Man kann aber noch sehr viel verbessern. Mitte/Ende diesen Jahres kommt dann ein besserer. Grobziel: 2x800Wrms@4Ohm. Von den 12,5kg die ich jetzt hab auf 8kg runter. Von 3HE auf 2HE runter bei ca. 30cm Einbautiefe. SMPS mit ZVS/ZVT-Resonanz. Eventuell mit PFC. Materialkosten (Farnell, Menting und mein Platinenmacher fressen an dem Ding die meiste Kohle) auf 600-650EUR runter... Auch wieder alle wichtigen Schutzschaltungen...
So viel Zeitaufwand ist das gar nicht. Alles wird am PC simuliert und per CAD/Router fertig gemacht. Ein paar Feierabende das Zeug zusammenbauen, messen und dann fertig oder verbessern.

Mich würde auch mal was großes mit richtig Power reizen, aber 2 von diesen Kisten sind genug. Für mehr Leistung habe ich keine Verwendung.