Inhaltsverzeichnis
Einleitung
27. Januar 2020
Es gibt ein Phänomen im Zusammenhang mit meinen Quads, das ich viele Jahre beobachtet, aber erst in den letzten Wochen verstanden habe. Die Lautsprecher haben sozusagen eine „Tagesform“: Manchmal sind sie leiser als sonst, sodass ich den Pegel erhöhen muss, um die gleiche gefühlte Lautstärke zu erreichen. Lange Zeit schrieb ich es meiner eigenen Tagesform zu, doch die Untersuchungen der letzten Wochen zeigten, dass die Ursache in den Lautsprechern selbst liegt. Die Schwankungen der Netzspannung (zulässig: 230V/AC ±10 %) wirken sich direkt auf die Vorspannung der Folien aus. Unterschiedliche Vorspannungen sorgen für geänderte Auslenkungen – und damit für eine geänderte Lautstärke – der Quads. Zur Beseitigung dieses Effekts habe ich den RStAudio ESL AC Voltage Regenerator entwickelt.
Zudem habe ich seit der Sanierung der Lautsprecher Probleme mit Überschlägen in der Hochtoneinheit, wenn die Netzspannung über 230V/AC liegt.
Untersuchungen mit Spice
27. Januar 2020
Um meinen Verdacht zu erhärten, habe ich erneut Spice verwendet. Mit dieser Software lässt sich sehr gut ermitteln, wie die tatsächlichen Verhältnisse an den Folien sein müssen.
Meine vier Quads sind für 220V/AC ausgelegt und bringen diese Spannung zunächst per Transformator auf 610V/AC. Anschließend wird die Spannung mittels einer Greinacher-Kaskade auf eine Gleichspannung von ca. 1.500V/DC für das Hochtonpanel und auf ca. 6.000V/DC für die beiden Basspaneele vervielfacht. Eine erste Simulation mit diesen Randwerten berechnet die vom Hersteller vorgesehenen Spannungen an den Lautsprechermodulen.
Die Folienspannungen betragen 1.467V/DC im Hochton und 5.835V/DC im Bass. Das sind die vom Hersteller vorgesehenen idealen Werte. Natürlich gab es auch zur Zeit der Entwicklung der 57er Quads ein Toleranzband der Netzspannung und ich denke, dass es auch damals bei ±10% lag. Ich behaupte jedoch, dass die damaligen Netzschwankungen – zumindest in ländlichen Gegenden – nicht so groß waren wie heute.
Als Nächstes habe ich mir angesehen, wie es bei einer idealen Netzspannung von 230V/AC an den Folien aussieht.
Die Simulation ergibt 1.534V/DC und 6.109V/DC. Dies entspricht einer Erhöhung von 67V/DC im Hochton und von 274V/DC im Bass. Das sind ca. 4,6% mehr Spannung als vorgesehen, was sich jedoch noch im Toleranzband von 220V/AC ±10% befindet. Der Betrieb meiner Quads bei idealen 230V/AC ist also zulässig.
Betrachtet man die Spannungen im Toleranzband von ±10% um 230V/AC, so ergibt sich das folgende Bild:
Die beiden mittleren Kurven (blau und grün) stellen die Ergebnisse bei einer Netzspannung von 230V/AC dar, die beiden äußeren Kurven die Spannungen bei 207V/AC (-10%) und 253V/AC (+10%), also bei maximaler Ausnutzung des zulässigen Toleranzbandes der Netzspannung. In der folgenden Tabelle sind die sich ergebenden Spannungen zusammengefasst:
| Netzspannung | 220V/AC | 230V/AC – 10% | 230V/AC | 230V/AC + 10% |
| Hochton | 1467V/DC | 1380V/DC | 1534V/DC | 1687V/DC |
| Bass | 5835V/DC | 5491V/DC | 6109V/DC | 6715V/DC |
Wie den Simulationen zu entnehmen ist, hängen die tatsächlichen Folienspannungen davon ab, welche Spannung aktuell auf der Netzseite anliegt. In der letzten Stunde, bevor ich diese Zeilen geschrieben habe, gab es bei mir Spannungsschwankungen von mehr als 10V/AC. Je nachdem, ob die Sonne scheint oder nicht, stellen sich auch ganz andere Grundwerte ein, denn rund um unser Haus sind jede Menge Windkraft- und Fotovoltaikanlagen installiert.
Nun wirkt sich die anliegende Folienspannung aber direkt auf die resultierende Auslenkung bei einem definierten Eingangssignal aus. In der Folge verändert sich die Grundlautstärke der 57er Quads mit der Netzspannung. Das ist nicht überraschend, wenn man sich vor Augen führt, dass die Folienspannungen ohne Regelung direkt aus der Netzspannung erzeugt werden.
Da mir keine Modelle der Bass- und Hochton-Panels vorliegen, habe ich die Belastungen der Kaskade durch Widerstände realisiert. Damit ist der Stromfluss in meiner Simulation direkt linear von der Spannung abhängig, denn es gilt das ohmsche Gesetz. Ich denke aber, dass man mit dieser Einschränkung durchaus leben kann und dass sie die Ergebnisse nicht schmälert.
Die EHT-Units meiner revidierten Quads sind nicht mehr an der sekundärseitigen 610V/AC Wicklung, sondern an einer 590V/AC Wicklung angeschlossen. Diese Spannung stellen meine vier Quads zusätzlich zur Verfügung. Dadurch lässt sich eine wesentlich bessere Anpassung an die vorgesehenen Arbeitspunkte bei 230V/AC erreichen als mit der ursprünglichen Verdrahtung.
Voltage Regenerator
01. Dezember 2020
Was kann also getan werden, um stabile Verhältnisse an den Quads zu erreichen?
Am einfachsten ist es, den Quads eine stabile Eingangsspannung zu liefern, die unabhängig von der aktuellen Netzspannungssituation ist.
Das lässt sich relativ einfach mit einem Sinus-Oszillator mit 50 Hz oder 60 Hz und nachgeschalteter Endstufe inklusive Ausgangstransformator erzielen.
Das Frequenzsignal wird von einem DDS-Chip (AD9833) erzeugt. Als Referenztakt wird ein 10-MHz-Quarzoszillator verwendet. Der DDS-Chip muss nach dem Einschalten initialisiert werden, weshalb zusätzlich ein Mikrocontroller benötigt wird. Ich habe mich für einen EFM8 Busy Bee von Silicon Labs entschieden. Dieser Controller übernimmt zudem die Initialisierung des digitalen Potenziometers, mit dem die Ausgangsspannung eingestellt wird.
Nach dem DDS-Chip wird das Sinus-Signal verstärkt, gefiltert und mithilfe eines Servo-Reglers von seinem DC-Anteil befreit. Anschließend gelangt das aufbereitete Signal über das digital einstellbare Potenziometer zum Leistungsverstärker. Ich habe mich für zwei integrierte Audioverstärker des Typs LM1875 entschieden, die zu einer Brückenendstufe zusammengeschaltet sind. Die Trafowicklung liegt folglich zwischen den Ausgängen der beiden Verstärker. Die Ausgangsleistung ist für zwei 57er Quads ausgelegt.
Über einen DIP-Schalter lässt sich die Ausgangsspannung geringfügig anpassen. Die Ausgangsfrequenz habe ich fest auf 60Hz eingestellt. Damit werden die Hochspannungskaskaden 10-mal in der Sekunde mehr geladen, als mit den bei uns üblichen 50Hz.
Selbstverständlich benötigt die Schaltung auch eine Betriebsspannung. Diese habe ich in gewohnt aufwendiger Schaltungstechnik ausgeführt. Nach dem Netzfilter folgt ein weiterer Filter mit X2- und Y2-Kondensatoren. Daran schließt sich ein DC-Filter für die 230V/AC Spannung an. Erst nach diesen drei Filtern wird die Primärwicklung des 45VA Ringkerntransformators verbunden. Auf der Sekundärseite befinden sich zunächst Snubber-Netzwerke, bevor die Wechselspannung von einem diskreten Gleichrichter mit Ultra-Fast Soft-Recovery Dioden verarbeitet wird. Anschließend folgt ein symmetrischer CLC-Filter. Die ungeregelte Betriebsspannung wird dann von Kapazitätsmultiplizierern erzeugt. Diese Spannungen versorgen die beiden Audioverstärker. Zusätzlich gibt es noch ±15V und 3,3V Spannungsregler für die Versorgung der Operationsverstärker und der digitalen Elektronik.
Für einen großen Teil der Signalverarbeitung habe ich SMD-Bauteile verwendet. Diese sind auf der Unterseite der Leiterplatte verbaut und daher auf dem folgenden Foto nicht zu sehen.
Die Front des Geräts ist am Anfang dieser Seite zu sehen. Dort befindet sich lediglich eine Leuchtdiode, die den Betriebszustand signalisiert. Die Rückseite ist auf dem folgenden Foto zu erkennen. Links befindet sich der 230V/AC Netzeingang mit Netzfilter, Sicherungen und Schalter. An den roten 4mm Sicherheitslaborbuchsen lässt sich die Netzspannung nach dem DC-Filter abgreifen und messen. An den beiden anschließenden Neutrik Power-Con Buchsen werden die Quads angeschlossen. Die schwarzen 4mm Sicherheitslaborbuchsen sind mit dem Ausgang des Geräts verbunden. Hier lässt sich die Spannung an den Quads messen.
Dank dieser Schaltung gehört die „Tagesform“ der Quads der Vergangenheit an. Zudem gibt es keine Überschläge durch zu hohe Netzspannung mehr. Ich bin mit dieser Entwicklung und dem damit verbundenen Betriebsverhalten der Quads sehr zufrieden.
Wie sieht nun die Spannungssituation an meinen Quads aus? Dazu zunächst die technischen Randbedingungen:
- Die internen Transformatoren meiner Quads sind auf eine Sekundärspannung von 590V/AC umgelötet.
- Die Ausgangsspannung der Quad ESL AC Voltage Regenerator sind auf 220V/AC eingestellt.
- Die Ausgangsspannung hat eine Frequenz von 60Hz (siehe oben).
Damit ergeben sich ca. 1450V/DC an den Hochton und 5680V/DC an den Bass Panels.