Quad ESL AC Voltage Regenerator

Quad ESL AC Voltage Regenerator

Inhaltsverzeichnis

Einleitung

27.01.2020

Es gibt ein Phänomen im Zusammenhang mit meinen Quads das ich sehr viele Jahre beobachtet, aber erst in den letzten Wochen verstanden habe. Die Lautsprecher haben eine „Tagesform“, sie sind manchmal leiser als sonst und ich muss mehr Pegel fahren um die gleiche gefühlte Lautstärke zu hören. Lange Zeit verbuchte ich es unter meiner persönlichen Tagesform, aber die Untersuchungen der letzten Wochen zeigten das es die Lautsprecher selbst sind. Die Ursache liegt in der schwankenden Netzspannung (zulässig: 230V/AC ±10%) die sich direkt auf die Vorspannung der Folien auswirkt. Unterschiedliche Vorspannungen sorgen für geänderte Auslenkungen – und damit Lautstärke – der Quads. Zur Beseitigung diese Effektes entwickelte ich den RStAudio ESL AC Voltage Regenerator.

Zudem habe ich seit der Sanierung der Lautsprecher Probleme mit Überschlägen in der Hochtoneinheit wenn die Netzspannung oberhalb von 230V/AC liegt.

Untersuchungen mit Spice

27.01.2020

Um meinen Verdacht zu erhärten habe ich mal wieder Spice bemüht. Mit dieser Software lässt sich sehr schön ermitteln wie die tatsächlichen Verhältnisse an den Folien sein müssen.

Meine 4 Quads sind für 220V/AC ausgelegt und bringen diese Spannung erst einmal per Transformator auf 610V/AC. Anschließend wird die Spannung per Greinacher Kaskade auf eine Gleichspannung von ca. 1500V/DC für das Hochton Panel und auf ca. 6000V/DC für die beiden Bass Panele vervielfacht. Eine erste Simulation mit diesen Randwerten berechnet einem die vom Hersteller vorgesehenen Spannungen an den Lautsprechermodulen.

Gleichspannungen an den Folien bei 220V/AC

Gleichspannungen an den Folien bei 220V/AC

Es ergeben sich Folienspannungen von 1467V/DC im Hochton und 5835V/DC im Bass. Das sind die idealen vom Hersteller vorgesehenen Werte. Natürlich hat es auch zur Zeit der Entwicklung der 57er Quads ein Toleranzband der Netzspannung gegeben und ich denke auch zu der Zeit lag es bei ±10%. Ich behaupte aber jetzt mal das die damaligen Netzschwankungen – zumindest in ländlichen Gegenden – nicht so groß gewesen sind wie heute.

Als nächstes habe ich mir mal angeschaut wie es denn nun bei einer idealen Netzspannung von 230V/AC an den Folien aussieht.

Gleichspannungen an den Folien bei 230V/AC

Gleichspannungen an den Folien bei 230V/AC

Die Simulation ergibt 1534V/DC und 6109V/DC. Eine Erhöhung von 67V/DC im Hochton und von 274V/DC im Bass. Das sind ca. 4,6% mehr Spannung als vorgesehen und befindet sich durchaus noch im Toleranzband von 220V/AC ±10%. Der Betrieb meiner Quads bei idealen 230V/AC wird also durchaus zulässig sein.

Schaut man sich nun einmal die Spannungen im Toleranzband von ±10% um 230V/AC herum an so ergibt sich das folgende Bild

Gleichspannungen an den Folien bei 230V/AC ±10%

Gleichspannungen an den Folien bei 230V/AC ±10%

Die beiden mittleren Kurven (blau & grün) sind die Ergebnisse bei 230V/AC Netzspannung und die jeweils 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 sieht man zusammengefasst die sich ergebenden Spannungen:

Netzspannung
Mains Voltage
220V/AC230V/AC - 10%230V/AC230V/AC + 10%
Hochton
High Frequency
1467V/DC1380V/DC1534V/DC1687V/DC
Bass
Low Frequency
5835V/DC5491V/DC6109V/DC6715V/DC

Wie man aus den Simulationen entnehmen kann sind die tatsächlichen Folienspannungen davon abhängig welche Spannung aktuell auf der Netzseite anliegt. Bei mir gibt es Spannungsschwankungen um mehr als 10V/AC in der letzten Stunde bevor ich diese Zeilen geschrieben habe. Je nachdem ob die Sonne scheint oder nicht stellen sich auch ganz andere Grundwerte ein – rund um unser Haus sind jede Menge Windkraft- und Photovoltaikanlagen installiert.

Nun wirkt sich aber die anliegende Folienspannung direkt auf die resultierende Auslenkung bei einem definierten Eingangssignal aus. Als Resultat hat man eine sich mit der Netzspannung ändernde Grundlautstärke der 57er Quads. Was nicht verwundert wenn man sich vor Augen führt das die Folienspannungen ohne Regelung direkt aus der Netzspannung erzeugt werden.

Da ich keine Modelle von Bass- und Hochton-Panel habe sind die Belastungen der Kaskade durch Widerstände realisiert. Damit ist der Stromfluss in meiner Simulation direkt linear von der Spannung abhängig – es gilt ja das Ohmsche Gesetz. Aber ich denke mit dieser Einschränkung kann man durchaus leben und sie schmälert nicht die Ergebnisse.

Die EHT Units meiner revidierten Quads sind nicht mehr an der sekundärseitigen 610V/AC Wicklung, sondern an 590V/AC angeschlossen. Diese Spannung stellen zumindest meine 4 Quads zusätzlich zur Verfügung. Damit erhält man eine wesentlich bessere Anpassung an die vorgesehenen Arbeitspunkte bei 230V/AC als mit der ursprünglichen Verdrahtung.

Voltage Regenerator

01.12.2020

Was kann man also tun um zu stabilen Verhältnissen an den Quads zu kommen?
Das einfachste ist es, der Quad eine stabile Eingangsspannung zu liefern, die unabhängig von der aktuellen Netzspannungssituation ist.

Das lässt sich relativ einfach mit einem 50Hz oder 60Hz Sinus-Oszillator mit nachgeschalteter Endstufe inklusive einem Ausgangstransformator erzielen.

Das Frequenzsignal wird von einem DDS Chip (AD9833) erzeugt. Als Referenztakt kommt ein 10MHz Quarzoszillator zum Einsatz. Der DDS Chip muss nach dem einschalten initialisiert werden und so benötigt man zusätzlich einen Microcontroller. Ich habe mich für einen Silicon Labs EFM8 Busy Bee entschieden. Dieser Controller übernimmt zudem die Initialisierung des digitalen Potentiometers mit dem letztendlich die Ausgangsspannung eingestellt wird.

Nach dem DDS Chip wird das Sinus Signal verstärkt, gefiltert und von seinem DC-Anteil per Servo Regler befreit. Dieses aufbereitete Signal gelangt über das digital einstellbare Potentiometer zum Leistungsverstärker. Ich habe mich für zwei integrierte Audio Verstärker LM1875 entschieden die zu einer Brückenendstufe zusammen geschaltet sind. Die Trafo-Wicklung liegt folglich zwischen den Ausgängen der beiden Verstärker. Die Ausgangsleistung ist für 2 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.

Die Schaltung benötigt natürlich auch eine Betriebsspannung. Diese habe ich in gewohnt aufwändiger Schaltungstechnik ausgeführt. Nach dem Netzfilter gibt es einen zusätzlichen Filter mit MP2 X2 und Y2 Kondensatoren. Daran schließt sich ein DC-Filter für die 230V/AC Spannung an. Erst nach diesen 3 Filtern wird die Primärwicklung des 45VA Ringkerntransformators angeschlossen. Auf der Sekundärseite finden sich erst einmal Snubber Netzwerke bevor die Wechselspannung von einem diskreten Gleichrichter mit Ultra-Fast Soft-Recovery Dioden verarbeitet wird. Daran schließt sich ein symmetrischer CLC Filter an. Die ungeregelte Betriebsspannung wird dann von Kapazitätsmultiplizierern erzeugt. Diese Spannungen versorgen die beiden Audio Verstärker. 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 eingesetzt. Diese sind auf der Unterseite der Leiterplatte verbaut und somit auf dem Photo unten nicht zu sehen.

Innenansicht des Quad ESL AC Voltage Regenerator

Innenansicht des Quad ESL AC Voltage Regenerator

Die Front des Gerätes ist am Anfang dieser Seite zu sehen. Es gibt dort nur eine Leuchtdiode die den Betriebszustand signalisiert. Die Rückseite ist auf dem Photo unten 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 sich anschließenden Neutrik Power Con Buchsen werden die Quads angeschlossen. Die schwarzen 4mm Sicherheitslaborbuchsen sind mit dem Ausgang des Gerätes verbunden. Hier lässt sich die Spannung an den Quads messen.

Rückansicht des Quad ESL AC Voltage Regenerator

Rückansicht des Quad ESL AC Voltage Regenerator

Mit der „Tagesform“ der Quads ist es mit Hilfe dieser Schaltung vorbei. Zudem gibt es keinerlei Überschläge durch eine zu hohe Netzspannung mehr. Ich bin sehr zufrieden mit dieser Entwicklung und dem damit verbundenen Betriebsverhalten der Quads.

Wie sieht aber nun die Spannungssituation an meinen Quads aus? Dazu erst einmal 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 225V/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.