Electronics on Schallberts Blog

Steckbrett-Lagerfeuer

Schallbert — Sat, 10 Dec 2022

Materialliste

Gegenstand	Menge	~Preis [€]
LED: Warmweiß, z.B. Ifwd=30mA, 3lm	5	1,50
LED: Gelb, z.B. Ifwd=35mA, 1lm	2	0,60
LED: Rot, z.B. Ifwd=35mA, 0.4lm	1	0,30
Arduino Nano Atmega328	1	18
Steckbrett klein, z.B. 170 pins	1	0,70
Brückendrähte, pin-pin, z.B. 5cm	10	3,30

Dazu: Ein paar weitere Drähte, Mini USB-Kabel, Powerbank / USB-Ladegerät

Werkzeuge

Optional: Heißklebepistole
Optional: Lötkolben

Aufbau

LED aus der Nähe betrachtet ^[1]

Die rechte Pin-Seite des Arduino Nano mit der linken Seite des Steckbretts verbinden. Dabei darauf achten, dass alle Pins auf gleicher Höhe sind und möglichst nicht mit den Fingern zu berühren, da die Gefahr einer elektrostatischen Entladung besteht, die zu Beschädigung führen könnte.
Die Anoden (+) der LEDs mit den Ausgängen D2 bis D9 auf dem Steckbrett verbinden. Die Anode ist meistens der Pin der LED, der nicht mit der Lichtquelle belegt ist (im Bild oben wäre das links).
Die Kathoden (-) der LEDs auf der rechten Seite des Steckbretts auf gleicher Höhe einstecken.
Alle Kathoden mit Hilfe von Überbrückungsdrähten verbinden. Alternativ können die Kathoden auch gleich zusammen gelötet oder mittels einer Verteilerbrücke, wie in meinem Beispiel oben verwendet, durchverbunden werden.
Verbinden Sie die “gemeinsame Kathode” mit Hilfe eines Brückendrahtes mit einem der “GND”-Pins der Mikrocontroller-Platine.
Die Anoden der LEDs sollten sich nicht berühren. Das kann man einfach sicherstellen, indem sie mit etwas Heißkleber fixiert werden.

Programmierung

Der Code ist so einfach, dass ich ihn hier in Gänze herunterschreiben kann kann. Kopieren Sie ihn in Ihre Lieblings-IDE, programmieren Sie Ihr Board und schon sind Sie fertig!

Disclaimer: Dieser Code ist “quick’n’dirty” und hat viel Potential für Refactoring. Zum Beispiel sind die Pin-IDs hartkodiert, ich verwende nicht die tollen und einfachen Features von C++11 wie Range-based for loop und der Geschwindigkeitsalgorithmus wird ziemlich oft die untere Grenze erreichen und kein zufälliges Verhalten zeigen. Ich freue mich über Verbesserungsvorschläge auf meiner Github discussions Seite.

#include <Arduino.h>

#define MAXLONG 0xFFFFFFFF
#define SPEED_HIGHLIMIT 1000 // 500Hz
#define SPEED_LOWLIMIT 0x1FFF // 20Hz

void calcFlicker(uint32_t randomFlicker);
void writeLed(uint8_t columnCode, uint16_t speed);
uint32_t iRNG = 1;

void setup() 
{
 randomSeed(analogRead(0));
 pinMode(2, OUTPUT);
 pinMode(3, OUTPUT);
 pinMode(4, OUTPUT);
 pinMode(5, OUTPUT);
 pinMode(6, OUTPUT);
 pinMode(7, OUTPUT);
 pinMode(8, OUTPUT);
 pinMode(9, OUTPUT);
 iRNG = 1;
}

void loop() 
{
 iRNG = (iRNG >> 1) ^ (-(iRNG & 1u) & 0xd0000001u);
 calcFlicker(iRNG);
}

/*
 This function takes a 32bit random value,
 and moves this value along a window of an 8bit 
 flicker output value.
*/
void calcFlicker(uint32_t randomFlicker)
{
 uint8_t currentFlicker = (uint8_t)(randomFlicker & 0xFF);
 uint16_t randomSpeed = min(SPEED_LOWLIMIT, (uint16_t)(randomFlicker & SPEED_HIGHLIMIT));
 for(uint8_t i = 0; i < 24; ++i) // 24 because of 32bit length of random, may not run empty
 {
 writeLed(currentFlicker, randomSpeed);
 randomFlicker = randomFlicker >> 1;
 } 
}

/*
 this function outputs a code to an LED column of 8 LEDs
 connected to arduino's pins with a selectable delay.
*/
void writeLed(uint8_t columnCode, uint16_t speed)
{
 digitalWrite(2, columnCode & 0x01);
 digitalWrite(3, columnCode & 0x02);
 digitalWrite(4, columnCode & 0x04);
 digitalWrite(5, columnCode & 0x08);
 digitalWrite(6, columnCode & 0x10);
 digitalWrite(7, columnCode & 0x20);
 digitalWrite(8, columnCode & 0x40);
 digitalWrite(9, columnCode & 0x80);
 delayMicroseconds(speed);
}

Testen

Sobald Sie das Gerät über USB einschalten, sollte die LED-Flackersequenz beginnen. Es sollte sich ein ruhiges Flackern einstellen. Wenn man im Regal einen leeren Platz findet und ein paar Zweige zur Hand hat, könnte das doch ganz schön aussehen, oder? Mit einer Powerbank kann man dieses Lagerfeuer auf dem Steckbrett sogar überall hin mitnehmen. Das war’s, viel Spaß damit!

Zur Hauptseite des Projektes

Einschaltstrom ermitteln

Schallbert — Tue, 16 Aug 2022

Vorbereiten des Multimeters / Oszilloskops

Für diesen Artikel habe ich mir ein Multimeter zur Messung von “Power Quality” direkt vom Hersteller GMC Instruments leihen können. Da dort ein Datenlogger verbaut ist, kann ich die Messungen aufnehmen und später aufbereiten.

Metrahit Energy

Dieses Multimeter ist eher im Profi-Segment angesiedelt. Sowohl der Reichtum an Funktionen als auch sein Preis deuten für mich klar darauf hin. Zusätzlich zum Datenlogger und den üblichen Funktionen eines Multimeters kann es Leistung- und Energie messen bzw. berechnen, harmonische Signalverzerrungen erkennen und nebenbei auch PT100-Temperatursensoren auswerten.

Software setup

So richtet man die Auswertesoftware ein:

Software MetraWin herunterladen und installieren, um die vom Multimeter erfassten Daten zu übertragen und anzuzeigen.
Driver-Control “Treiber” herunterladen und installieren. Diese Software dient dazu, die Kommunikation zwischen USB und dem im Lieferumfang des Multimeters befindlichen Infrarot-Schnittstellenadapter bereitzustellen.
In der MetraWin-Software METRAHit Starline Series auswählen (übrigens ist mir unklar, warum der Name der Serie weder auf dem Gerät noch auf der Website erscheint)
Nun wird der Infrarot-Adapter am PC angeschlossen. Der IR-Adapter sollte im Gerätemanager mit einer “COM”-Anschluss-ID angezeigt werden (Windows-Taste –> Gerät in die Suche eingeben und Gerätemanager auswählen –> nach unten zu Anschlüsse (COM & LPT) scrollen, aufklappen). Diese Nummer dann in MetraWins Gerät --> Kommunikation... --> SEL-COM angeben - fertig.

Einrichtung des Multimeters für die Aufzeichnung des Einschaltstroms

In den Einstellungen dieses Multimeters ist darauf zu achten, dass die Adresse auf einen anderen Wert als 00 eingestellt ist (Setup --> Set --> System --> Addr), da die Infrarot-Kommunikation das Gerät mit einem ungültigen Wert hier nicht erkennt (ich habe dies erlebt und brauchte einige Zeit, um herauszufinden, dass nicht die IR-Adapter-Erkennung fehlerhaft ist, sondern die Einstellungen des Multimeters). Hintergrund ist, dass die Software über die Adressierung bis zu 15 Geräte gleichzeitig unterstützt. Warum 00 dabei ungültig ist, das wissen wahrscheinlich nur die Entwickler der Software.
Stellen Sie die Abtastzeit auf den niedrigsten Wert für eine gute Impulsverfolgung ein: Measure --> Save --> rate und wählen 0.0005sec auswählen, was bedeutet, dass der Logger Messungen mit 2000Hz Abtastrate durchführt. Dies ist der niedrigste Wert, den man erreichen kann, und diese Werte beeinträchtigen bereits die Verfügbarkeit des Aufzeichnungskanals, z.B. für Energiemessungen, aufgrund der begrenzten Pufferfähigkeit des Geräts.
Wählen Sie nun den Wert aus, den Sie messen wollen (bei mir ist es DC Strom in Ampère), und passen über die MAN/AUTO Taste den Wertebereich im manuellen Betrieb so an, dass die zu erwartende Impulshöhe abgedeckt wird. Kleiner Hinweis: Wenn das Multimeter den Zusatz TRMS oder RMS anzeigt, ist dies für unsere Messung hier eher nicht erwünscht, da in diesem Falle eventuelle Spitzenwerte geglättet werden.

Um den Einschaltstrom meines Verstärkers zu bestimmen, verwende ich den Messbereich >10A. So habe ich zwar eine für den Normalbetrieb geringe Genauigkeit, kann allerdings die Stromspitze gut abbilden.

Alternative Messgeräte

Oszilloskope sind Multimetern bei der Zeitauflösung weit überlegen, benötigen aber weitere Hilfsmittel um Ströme exakt erfassen zu können.

Dennoch sind sie hier mit einfachen Hilfsmitteln verwendbar: Einen Widerstand mit niedrigem Wert (z.B. 0.1 Ohm) und geringer Toleranz in Reihe mit dem Prüfling schalten und den Spannungsabfall am Widerstand per Oszilloskop bestimmen. Bei einer Auflösung von 1V/div läge dann die Umrechnung für den Einschaltstrom bei 10A/division.

Ein günstiges Multimeter hingegen mit “Data Max Hold” Funktion wird für diesen Anwendungsfall wahrscheinlich aber nicht funktionieren, da die Messintervalle für die zu messenden, sich schnell aufladenden Kondensatoren schlicht zu lang sind.

Der Prüfling

Die zu untersuchende Schaltung ist eine Endstufe mit 30W Dauerleistung AA-AB32996, produziert von “sure electronics”. Er basiert auf dem integrierten Class-D-Verstärkerbaustein TPA3110.

Die Energieversorgung besitzt einen Verpolschutz (drei parallel geschaltete Schottkydioden) und bindet sechs Pufferkondensatoren mit einer Kapazität von je 220uF ein. Zusätzlich befinden sich nahe der Versorgungspins des IC zwei weitere Entstörkondensatoren.

Zum Vergleich: Das Referenzlayout des IC-Herstellers sieht der oben beschriebenen Lösung recht ähnlich. Hier werden zusätzlich FB (Ferritkerne) verwendet, um die Ströme auf der Eingangsseite zu glätten. Dafür wird weniger Pufferkapatizät vorgesehen. Darüber hinaus verwendet das Referenzdesign einfache Ferritkerne anstatt hochwertigerer Filterspulen am Verstärkerausgang.

Motivation: Ausfall eines Prototypen bei Verwendung von USB-C PD

Für einen meiner Prototypen hatte ich vorher ein USB-C Power Delivery Entwicklungsboard - erklärt in diesem Beitrag - verwendet. Leider musste ich feststellen, dass dieser nach nur ein paar Einschaltzyklen in Rauch aufging - wahrscheinlich verursacht durch einen hohen Einschaltstrom, für den der IC nicht ausgelegt ist.

Daher wollte ich genau wissen, wie hoch die Stromspitzen sind und mit welcher Komponente ich den Einschaltstrom so in den Griff bekomme, dass hierdurch verursachte Schäden an elektronischen Bauteilen ausgeschlossen werden können.

Durchführung der Messung

Ich verbinde den Messpfad für Strom des Multimeters mit dem Minuspol des Verstärkers und die Masse des Multimeters mit dem Minuspol des Netzteils. Die Messspitze für Spannung verbinde ich mit dem Pluspol des Verstärkers, und letzteren wiederum schließe ich über einen Schalter am Netzteil an.

Um die Messung zu beginnen, wähle ich beim Multimeter SET --> Store --> Start --> Store und lege den Schalter an der Spannungsversorgung um. Nach ein paar Sekunden beende ich die Messung mit der Taste Stop.

Da ich zu beginn die höchstmögliche Datenrate eingestellt hatte, musste ich die Daten hernach manuell an den Computer übermitteln und konnte nicht die Liveübertragung wählen. Hierfür wählt man in der Software folgende Einstellung aus: Read Memory --> Get Memory Info --> Move Memory Data to File --> save --> Open Memory Data File --> Display Data from File. Mir ist dabei nicht ganz klar, warum an der Stelle so viele Schritte erforderlich sind - ich hätte hierfür nur einen Knopfdruck erwartet.

Das Dateiformat Measurement Data File hat einen großen Vorteil gegenüber dem ebenfalls möglichen Memory Data File: Es enthält Metadaten wie Messdatenauswahl für die Ansicht, Labels und Details zur Darstellung wie Einheiten etc. Ohne großen Aufwand lassen sich Auswertungen erstellen und beispielsweise im PDF-Dateiformat exportieren.

Visualisierung des Einschaltstroms

Der ganze Spuk dauert nur ~10ms, also 20 samples. Nach einem hohen Strompuls von >12A zeigt sich ein Plateau bei rund 4A bis sich die Kondensatoren aufgeladen haben. Danach geht der Strom zurück, bis er dem Leerlaufstrom des Verstärkers entspricht.

Der Spitzenwert liegt allerdings nur für einen Datenpunkt vor - daher kann ich nicht sagen, ob es sich um einen Messfehler / Ausreißer oder ein tatsächliches Ereignis handelt. Ein paar Annahmen zur Ursache:

Es wurden schaltungsweit Entkopplungskondensatoren mit sehr geringem ESR (Serienwiderstand) verwendet
Verlassen des Messbereichs des Multimeters
Limiter des Labornetzteils begrenzt den Strom auf Niveau des Plateaus (war auf 5A konfiguriert, passt also nicht recht zusammen)

Spannungsverlauf an den Versorgungspins des Verstärkers

Die Spannungsmessung zeigt einen sprunghaften Anstieg beim ersten Messwert nach Einschalten des Verstärkers, gefolgt von einem fast linearen Anstieg bis die Quellspannung nach etwa ~6ms erreicht wird.

Diese Werte passen zeitlich prima mit den Strommessungen zusammen und bestätigen sowohl Impuls- als auch Plateauwerte.

Wiederholung & Ergebnis

Ich wiederholte die Messung mit unterschiedlichen Randbedingungen: Lautsprecher angeschlossen/ nicht verbunden, Verstärker in Standby/ Leerlauf usw. aber die Messergebnisse waren stets ähnlich. Somit wird die Verstärkerschaltung im Moment des Einschalten nicht durch seine Konfiguration oder Peripherie beeinflusst.

Die Werte sind also bedingt durch den Versorgungspfad und seine Schutzmaßnahmen, Energiespeicher und seine Entkopplungsschaltung.

Nachteile der Messung mittels Multimeter sind geringe Datenrate (10-100kHz wären besser gewesen), keine Möglichkeit, die Messwerte live abzulesen, und langen Datentransferzeiten zum PC, geschuldet durch die Kommunikation per Infrarot. Andererseits kann ich das Multimeter jetzt schnell mal als “offline Datenlogger” auch über längere Zeit verwenden, ohne einen Computer zur Konfiguration dabei haben zu müssen. Optimal für die Anwendung im Feld.

Für den Verstärker werde ich mit diesen Erkenntnissen jetzt eine Schutzschaltung entwickeln, ähnlich wie in diesem Beitrag diskutiert, und so in Zukunft Probleme mit USB-PD ICs vermeiden.

Einschaltstrombegrenzer Teil2

Schallbert — Thu, 10 Feb 2022

Inhalt

In diesem Artikel konzentriere ich mich auf zwei Möglichkeiten, eine Halbleiter-Einschaltstrombegrenzerschaltung zu erstellen: Die eine kopiert den Relais-Ansatz aus Elektronikwissen: Einschaltstrombegrenzer, wobei lediglich das Relais durch einen p-Kanal-MOSFET ersetzt und eine besser definierte Zeitverzögerung hinzugefügt wird. Zum anderen stelle ich einen “linearen” Ansatz vor, bei dem die Stromversorgung schrittweise durch einen PNP-Leistungstransistor eingeschaltet wird.

Motivation: Einschaltstrombegrenzer für USB-PD

Da meine Experimente mit USB-PD für AnywhereAmps vorerst fehlgeschlagen sind, muss ich eine Schaltung erstellen, die den Einschaltstrom in meinem Verstärker begrenzt, bevor ich es erneut versuche.

Schaltungen erläutert

Die beiden Schaltungen sind sich sehr ähnlich. Sie unterscheiden sich eigentlich nur in zwei Komponenten des Leistungsteils. Im Allgemeinen wird die Verzögerungszeit durch eine Vergrößerung des Kondensators C4 oder eine Vergrößerung des Ladewiderstands R9 verlängert.

Eingangsbereich (blau)

Der Eingangsteil verfügt über eine TVS-Diode, um Verpolung oder Überspannung zu vermeiden.

Verzögerungsabschnitt (gelb)

Nach dem Einschalten wird C4 über R9 allmählich aufgeladen. Wenn die Schwellenspannung des NPN-Bipolartransistors Q2 erreicht ist, wird die Spannung hinter R11 langsam reduziert, was wiederum M2, den Leistungspfad dieser Schaltung, aktiviert. R12 wurde hinzugefügt, um einen stabilen Arbeitspunkt für Q2 zu schaffen.

Leistungsteil (grün)

Die lineare Variante hat einen PNP-Leistungstransistor Q1 im Hauptstrompfad (Bild unten). Er wird über Q2 aktiviert, und der Strom, den er liefern kann, wird über R10 gesteuert, der in diesem Fall einen relativ niedrigen Wert hat um hohe Emitter-Kollektor-Ströme zu ermöglichen.

Während die schaltende Variante einen Strombegrenzungswiderstand R8 verwendet, der durch den p-Kanal-Mosfet M2 kurzgeschlossen wird, erfordert seine spannungsgesteuerte Natur keine besondere Sorgfalt bei der Auswahl von R10. Man sollte nur darauf achten, dass seine (negative) Gate-Schwellenspannung sicher eingehalten wird.

Simulierte Last (violett)

Meine Last ist die Endstufenschaltung. Um den Ruhezustand und das Einschaltverhalten zu simulieren, habe ich einen 400Ohm-Widerstand R5 und einen gepolten 1200uF-Kondensator C3 gewählt. Die TVS-Diode schützt vor Überspannung und Rückströmen. Ich habe die Simulationen mit Kondensatorwerten von bis zu 10000uF und Lastwiderständen bis herunter auf 40Ohm ausprobiert, alle mit ähnlichen und guten Ergebnissen.

Schaltungsvergleich

Die dunkelblaue Linie im Diagramm ist wichtig: Sie beschreibt die Ausgangsspannung des Systems im Zeitverlauf. Beide Schaltungen sind so abgestimmt, dass sie die Ziel-Ausgangsspannung nach 0,2 Sekunden erreichen. Dennoch unterscheiden sich die Kurven ziemlich stark, was die unterschiedliche Natur der beiden Ansätze widerspiegelt.

P-CH MOSFET Ansatz

Aufgrund des Schaltvorgangs ist die Einschaltstrombegrenzung zwar wirksam, aber nicht ganz gleichmäßig
die Leistungsverluste sind bei dieser Variante sehr gering, da sowohl der auslösende NPN-Transistor als auch der Leistungs-MOSFET für sich genommen nicht viel Strom verbrauchen.
breiter Einsatzbereich für angeschlossene Geräte, der nur durch den maximalen Dauerstrom des MOSFETs begrenzt wird.

PNP-Leistungstransistor-Ansatz

sehr ruhiger Betrieb, die Einschaltzeit kann aufgrund des großen ohmschen Bereichs des PNP sehr gut gesteuert werden
höhere Leistungsverluste im eingeschalteten Zustand aufgrund des hohen Basisstroms durch R10.
Nicht sehr vielseitig, da hohe Lastströme einen beträchtlichen Spannungsabfall über den Emitter-Kollektor-Pfad von Q1 erzeugen.

Weitere Verbesserungen

Um die Vielseitigkeit dieser Schaltung zu behalten und gleichzeitig eine glatte Spannungskurve zu erreichen, könnte man einen Operationsverstärker verwenden, um den Laststrom zu überwachen und ihn bei Bedarf auf die zulässigen Werte herunterzuregeln. Der Leistungs-MOSFET könnte beibehalten werden, während der Nachteil des engem ohmschen Betriebsbereichs verschwinden würde. Der Preis dafür wäre zusätzliche Komplexität, wie sie in diesem Stackexchange-Beitrag beschrieben wird.

Energieversorgung per USB

Schallbert — Thu, 27 Jan 2022

USB Power Delivery

USB Power Delivery ist ein Standard innerhalb des USB 3.x-Protokolls, der die Stromversorgung und die Spannungspegel innerhalb des USB-Netzwerks festlegt. Mit USB-PD ist es möglich, Verbraucher in Reihe zu schalten, die dann automatisch den Strombedarf mit der/den Quelle(n) aushandeln. Der Standard hat verschiedene Versionen, von denen die neueste (2021) bis zu 5 Ampère bei 3,3...48V und maximal 240 Watt Leistung zulässt.

USB-PD-Rollen

Im USB-Power-Delivery-Standard gibt es verschiedene Rollen, die die Teilnehmer an den Enden eines USB-Kabels spielen können. Sie können Host oder Client für Datenzwecke und gleichzeitig Stromquelle, Stromsenke oder beides für andere Teilnehmer sein.

Rollenbegriffe

USB-C verwendet das Akronym DFP oder “Down-Facing Port”, um zu verdeutlichen, dass es sich um den Port eines Host handelt. UFP oder “Up-Facing Port” wird für Clients verwendet, die mit Hosts verbunden werden können. Es gibt aber noch eine dritte Rolle: DRP oder “Dual-Role Port”. Dieser Anschluss kann entweder als Host oder als Client dienen, je nachdem, wer der Verbindungspartner auf der anderen Seite der Leitung ist und was das USB-Netzwerk aushandelt.

Im USB-PD-Kontext kann jeder dieser Ports so konfiguriert werden, dass er als Stromquelle oder Stromsenke dient. Beispiel: Obwohl die Rolle des USB-C-Anschlusses eines Laptops auf “DFP” konfiguriert sein kann, kann er, wenn er an eine Stromquelle angeschlossen ist, immer noch eine Stromsenke sein. Hmm.

In diesem Beitrag verwende ich nur die “UFP”-Rolle sowohl im Sinne des USB-C- als auch des USB-PD-Wortes. Also versuche ich, eine Stromsenke für mein Gerät zu konfigurieren, damit es die benötigte Eingangsspannung und den Strom erhält.

USB-PD Version

Vor USB-PD Standard 2.0 unterstützten USB-C-Geräte nur sogenannte Power Profiles mit festen Spannungen von 5V, 12V, 20V und Strömen von bis zu 2A, 3A, oder 5A.
Zwischen USB-PD Standard 2.0 und USB-PD 3.0 haben Power Delivery Objects die alten Power Profiles ersetzt, die es erlauben, verschiedene Spannungen/Stromstärken von der Senke auszuwählen je nach Angebot der Stromquelle. Die Spannungen sind auf 5V, 9V, 15V, 20V festgelegt, mit Strombegrenzungen von 2.25A, 3A, 5A, je nach Fähigkeit der Quelle und Spannungseinstellung. PDOs erlauben Fallback-Strategien, d. h. wenn eine Quelle die höchste Leistungsanforderung nicht unterstützen kann, kann die Senke ein anderes PDO mit geringerer Spannung/Strom auswählen, das sowohl für die Quelle als auch für die Senke geeignet ist.
Mit USB-PD Standard 3.0 PPS bietet das Protokoll mit Programmable Power Supply noch mehr Flexibilität. Hier fordert eine Stromsenke einen Spannungspegel zwischen 3,3V und 21V an, der in 20mV-Schritten und 0,2 bis 5A in 50mA-Schritten wählbar ist, wobei die volle Rückwärtskompatibilität zu den Power Delivery Objects von USB-PD 2.0 erhalten bleibt.
Der neueste USB-PD Standard 3.1 erweitert sogar die Grenzen der programmierbaren Stromversorgungen und erlaubt 3,3V - 48V und bis zu 5A mit AVS - Adaptable Voltage Files. Puh.

Nicht alle Quellen (Steckdosen, Powerbanks usw.) können alle Spannungspegel oder Stromstärken liefern oder haben überhaupt nur den gleichen Standard in der Umsetzung. Aber eine Reihe von Werten ist ziemlich üblich: 5V, 9V, 12V, 15V, 20V. Einige der Produkte, die ich auf dem Markt gesehen habe, bieten bis zu 4A, aber die meisten halten es mit bis zu 3A und Spannungen bis zu 15V sind am häufigsten (im Jahr 2021).

ASICs für die Stromversorgung

ASIC steht für Application Specific Integrated Circuit (anwendungsspezifischer integrierter Schaltkreis), und in diesem Beitrag versuche ich, ASICs mit der Funktion der Stromsenke zu beleuchten, die eigenständig arbeiten können, d. h. ohne ein externes Steuergerät wie einen Mikroprozessor. Ich habe drei Typen dieser ICs gefunden:

USB-PD-Senke, Spannungs- und Stromeinstellung über eine Widerstandskaskade
USB-PD-Senke, Spannungs- und Stromkennlinie über den Datenbus programmierbar (I2C/UART/SPI) in den nicht-flüchtigen Speicher des ASIC.
USB-PD-Senke mit integriertem Mikroprozessor, der programmiert werden muss

Was alle ASICs gemeinsam haben: Sie benötigen periphere Schaltungen, um zu funktionieren - zumindest einige Widerstände, Kondensatoren und Leistungstransistoren, um die Stromversorgung zu schalten und mit angeschlossenen Stromquellen zu verhandeln.

USB-PD ist komplex: Versionierung und Vertragsverhandlungen

Sowohl die Abwärtskompatibilität als auch die Skalierbarkeit von USB-PD fordern ihren Tribut - die USB-PD-Spezifikation ist ein mehr als 600 Seiten starkes Monster und es ist nicht immer klar, welche Quelle oder Senke welche Protokollebene unterstützt.

Da sowohl die Quelle, die Senke als auch das Kabel einen Power-Delivery-Vertrag aushandeln müssen, der auf den Anforderungen der Senke, den Stromversorgungsoptionen der Quelle und den Möglichkeiten des Kabels basiert, kann man sich vorstellen, dass dieser Prozess sehr komplex ist. Dies gilt umso mehr, als dass alle Beteiligten möglicherweise einen anderen USB-PD-Standard, eine andere Revision oder eine andere Version implementiert haben. Kleiner Fakt am Rande: Der Zip-Ordner des USB-Power-Delivery-Spezifikationspakets auf der offiziellen Seite hat eine Dateigröße von >42MB. Obwohl ich dieses Thema für sehr interessant halte, habe ich nicht die Zeit, mich in die Einzelheiten zu vertiefen 😅.

Lassen wir also all dieses Zeug hinter uns und versuchen, eine einfach zu implementierende Lösung zu finden.

Beispiel-ASICs

Ich habe willkürlich drei ICs aus dem Internet ausgewählt, die von verschiedenen Firmen angeboten werden, jeweils einen pro Gerätetyp:

Cypress/Infinions CYPD3177, ein USB-PD-Sink-Controller mit Widerstandskonfiguration
STMicroelectronics’ STUSB4500, ein USB-PD-Sink-Controller mit Speicher-Konfiguration
Microchips UPD301C, ein voll programmierbarer USB-PD-Dual-Role-Controller

Ich werde mir zuerst den STUSB4500 genauer anschauen.

Chipkrise / IC-Knappheit

Für die Integration in meinen Entwurf wollte ich einige Muster kaufen. Leider war die Chip-Knappheit so groß, dass keiner der Distributoren, bei denen ich normalerweise Elektronikteile bestelle, für das nächste Jahr welche auf Lager hatte.

Deshalb habe ich mich entschlossen, eine Entwicklungsplatine zu bestellen, auf der der ASIC bereits montiert ist. Das ist zwar 10x teurer als der Chip selbst, aber hier hatte ich keine Wahl.

Integration eines STUSB4500

Der STUSB4500 verwendet den USB-PD-Standard 2.0 - also nicht den neuesten und besten - aber die Abwärtskompatibilität mit späteren Standards macht ihn zu einem schnellen und einfachen Ausgangspunkt. Das Gerät wird mit drei Power Delivery Objects vorprogrammiert:

PDO1 = 5V/1.5A
PDO2 = 15V/1,5A
PDO3 = 20V/1A

Für meine AnywhereAmps Alpha 1.1 evolution 1.2 kann ich das Ding also ohne Neuprogrammierung sofort verwenden. Wenn ich die Power-Delivery-Objekte ändern wollte, würde ich ein Arduino-Board mit I2C verwenden und die STUSB4500-Bibliothek installieren, die z. B. unter Platformio leicht erhältlich ist. Damit könnte ich sogar die programmierbare Stromversorgung von USB-PD 3.0 aktivieren, wenn ich wollte. Mal sehen, wenn ich die Zeit finde, werde ich einen speziellen Blogeintrag für die Programmierung des STUSB4500 vorbereiten.

Einschalten des Verstärkers

OK, also habe ich das Eval-Board an ein 15V-fähiges 30V USB-C-Netzteil angeschlossen. Die violette LED zeigt an, dass 15V auf der Ausgangsschiene verfügbar sind.

Jetzt habe ich meine Verstärkerschaltungen an den Ausgangsklemmen für einen ersten Test angeschlossen. Die STUSB-Auswertungsplatine leuchtet nicht mehr, Verstärker aus. Meh. Wenigstens habe ich einen Hinweis darauf, was die Ursache sein könnte: Es sind wieder kapazitive Einschaltströme! Um Geräte mit großen Kondensatoren mit Strom versorgen zu können, muss ich entweder den Strom im PDO auf abnorm hohe Werte einstellen, oder ich entscheide mich für die Konstruktion einer geeigneten, miniaturisierten Einschaltstrombegrenzerschaltung. Ich habe bereits einen Prototyp aufgebaut, den ich hier vorstelle.

Sollten Sie USB-PD für Ihre Projekte verwenden?

Die Antwort lautet eindeutig “es kommt darauf an”. Obwohl die Möglichkeiten von USB-PD großartig sind, gibt es ein paar Nachteile:

Es wird ein zusätzlicher ASIC mit Peripherie benötigt, um die “Verträge” auszuhandeln. Dies benötigt Platz auf der Leiterplatte und erhöht die Projektkosten erheblich.
Um vollständig abwärtskompatibel zu sein, ist es sinnvoll, einen ASIC zu kaufen, der sowohl den Standard 3.x unterstützt, als auch idealerweise programmierbar ist.
Wenn Sie einen programmierbaren Baustein nehmen, gibt es eine zusätzliche Lernkurve für die Softwareentwicklung, die ASIC-spezifischen Bibliotheken, die Sie verwenden werden, und möglicherweise sogar die Notwendigkeit für Programmierhardware
Sie müssen sicherstellen, dass die Stromversorgung und das Kabel mit den Anforderungen Ihrer USB-PD-Senke kompatibel sind. Zudem sind Kabel für hohe Ströme teuer
Der USB-C-Anschluss ist miniaturisiert. SMD-Löten und Einsteiger-Lötstationen werden wohl nie Freunde werden, daher solltest etwas Erfahrung in diesem Bereich mitgebracht werden.
Hochstecker sind viel einfacher in einem Gehäuse zu montieren als eine Platine mit aufgesetzter USB-C-Buchse, die zudem starken mechanischen Belastungen standhalten muss.

Andererseits ist die Verwendung von USB-PD sehr sinnvoll, wenn

ein mobiles Gerät betrieben werden soll, das mitgenommen oder häufig an verschiedenen Stromquellen betrieben werden soll
die Flexibilität batteriebetriebener Geräte gewünscht ist: Einfach eine kompatible Powerbank anschließen und los geht’s
ohnehin eine Datenverbindung zu Ihrem Gerät benötigt wird
besondere Anforderungen an Ihre Stromversorgung bestehen und ganz bestimmte Spannungen/Ströme geliefert werden sollen
ein einfacher Überstrom- und Überspannungsschutz von Haus aus gewünscht ist

Metabo / Cordless Alliance Systems

Schallbert — Thu, 09 Dec 2021

Energiequelle für AnywhereAmps

Status quo

Ich habe Metabo / CAS (Cordless Alliance System) Batterien für beide AnywhereAmps Alpha 1. 0 und Alpha 1.1. Letzteres verwendet bereits den Power Supervisor IC MAX17562, der sowohl die Batterie als auch die Schaltkreise vor Verpolung, Überstrom und Unterspannung schützt.

Problem

Obwohl die Verwendung des Power-Supervisor-ICs ein großer Fortschritt war, wäre es noch besser, wenn ich den Ladezustand der Batterie direkt ablesen könnte. Dies würde nicht nur einen sicheren Betrieb gewährleisten, sondern auch ein automatisches Abschalten des Verstärkers ermöglichen, wenn die Batterie schwach wird.

Diskussion mit Metabo/CAS

Metabo logo ^[1]

Deshalb habe ich mich an das Metabo-CAS-Team gewandt und gefragt, ob ich Unterstützung und die Spezifikationen für die Kommunikation mit dem Akkupack bekommen kann. Zu meiner großen Freude reagierten sie sehr schnell, und schon bald befand ich mich in einem Telefongespräch um die Angelegenheit zu klären.

Ergebnis:

Die Verwendung von CAS-Akkus in anderen Geräten als der Elektrowerkzeug-Familien der CAS gilt als “Hack” und wird daher von Metabo nicht genehmigt.
Metabo ist daran interessiert, dass Hersteller von Akku-Werkzeugen ihrer Akku-Allianz beitreten, aber meine Anwendung in einem Verstärker ist einfach zu weit weg (Metabos Slogan war einmal “Work, don’t play”)
Metabo würde von mir erwarten, dass ich mehr als 10.000 Einheiten pro Jahr produziere, bevor ich der Allianz beitreten kann - was einfach unrealistisch ist.
Ich müsse dies verstehen, denn die gemeinsame Nutzung der Spezifikationen und die Erlaubnis, die Schnittstellen zu nutzen, würde einen Teil von Metabos Ressourcen in Anspruch nehmen, während sie keine Rendite erwarten könnten

So enttäuschend 😔 dies auch ist, kam es nicht völlig unerwartet. Der Ingenieur am Telefon nahm sich Zeit für mich. Er sagte mir, dass sie meine Begeisterung für ihre Batteriesysteme sehr zu schätzen wüssten und dass ich mich nicht entmutigen lassen solle.

Nun ja. Sprechen wir über eine

Alternative.

Ich kenne nur einen weiteren Standard, der alle meinen Ansprüchen gerecht zu werden scheint:

Anforderungen

“offen genug” für meinen Gebrauch
sicher
erfüllt die Anforderungen an Spannung und Stromstärke für meinen Zweck
weithin verfügbar

USB-PD logo ^[2]

USB Power Delivery

Der Standard heißt USB Power Delivery. Obwohl ich schon früher darüber nachgedacht habe, wollte ich ihn nie wirklich nutzen, da er einen enormen zusätzlichen Entwicklungsaufwand für mich bedeutet.

USB Power Delivery verwendet ein komplexes Protokoll, um einen “Vertrag” zwischen Quell- und Senkengerät zu schließen. All dies muss designt, ein spezieller IC ausgewählt und Schaltungen müssen dafür entworfen werden, damit es mit meinem Setup funktioniert.

😱 Oh nein, sie sind nicht mehr auf Lager!

Ich werde einen separaten Blog-Beitrag schreiben, sobald ich dieses neue Thema in den Griff bekommen habe.

Konfiguration des IC MAX1756x

Schallbert — Sat, 04 Dec 2021

Power Supervisor Konfiguration leicht gemacht

Ich verwende MAX17562 ICs in meinem Design für AnywhereAmps Alpha 1.1. Daher habe ich eine kurze Zusammenfassung der MAX1756x-Funktionen und deren Konfiguration erstellt 🙂.

Das Datenblatt ist die Grundlage für alle Informationen, die ich hier bereitstelle. Ich füge lediglich einige Überlegungen zur Gestaltung, Details zu meiner Art der Nutzung und Anwendungsvorschläge hinzu.

Was ist dieser Chip nochmal?

MAX1756x ist ein einstellbarer Überspannungs-/Unterspannungs- und Überstromschutz-IC. Er ist in drei verschiedenen Versionen für die Behandlung von Überstromereignissen erhältlich:

MAX17561: Schaltet sich bei einem Überstromereignis aus und stellt sich nach typischerweise 600ms selbsttätig ab.
MAX17562: Schaltet sich bei einem Überstromereignis ab; Neustart nach Freigabezyklus
MAX17563: Setzt den normalen Betrieb mit aktivem Strombegrenzer fort (führt Wärme ab)

Beide Versionen begrenzen Überstromereignisse auf die konfigurierte Stromgrenze.

Mein MAX1756x-Anwendungstool

Um die Verwendung des Max1756x IC in Ihrer Anwendung zu vereinfachen, können Sie meine Max1756x Kalkulationstabelle verwenden.¹

MAX1756x Strombegrenzer / Überlastdetektor

Courtesy of Maxim Integrated: SETI resistor config ^[1]

Der IC verfügt über einen einstellbaren Strombegrenzer und eine Überstromerkennung (SETI). Wenn der Strom über den SETI-Schwellenwert ansteigt, wird er auf den eingestellten Wert begrenzt. Für MAX17561 und MAX17562: Bleibt diese Bedingung länger als die typische 20.7ms Tastzeit bestehen, schaltet der Baustein den Lastkreis ab. Da der MAX17563 seinen normalen Betrieb fortsetzt, kann seine Verlustleistung irgendwann zu einer Übertemperaturabschaltung führen.

So konfiguriert man den Strombegrenzer / die Überlasterkennung über den Eingang SETI: Einen Widerstand entsprechend der Kurve auf der rechten Seite (aus dem Datenblatt) auswählen und verbinden mit SETI und GND verbinden. Für AnywhereAmps Alpha 1.2 verwende ich einen 3k3-Widerstand, um eine Stromgrenze von ~3.5A zu erreichen.

MAX1756x Unterspannungskonfiguration

Der IC verfügt über eine Unterspannungsabschaltung (UVLO). Wenn die Spannung für etwa 16,7ms unter den UVLO-Schwellenwert sinkt, schalten die Leistungstransistoren des Bausteins den Lastkreis ab. Intern vergleicht der IC die Eingangsspannung am UVLO-Pin mit der Referenzspannung “Vbg = 1,2V”. Um den Schwellenwert für die Unterspannungsabschaltung einzustellen, verwenden Sie einen Spannungsteiler, um den UVLO-Pegel während des normalen Betriebs über Vbg zu halten.

MAX1756x Überspannungskonfiguration

Der IC verfügt über eine Überspannungsabschaltung (OVLO). Wenn die Spannung für etwa 16,7ms über den OVLO-Schwellenwert steigt, schalten die Leistungstransistoren des Bausteins den Lastkreis ab. Die Funktionsweise ist identisch mit der Unterspannungsabschaltung, mit dem einzigen Unterschied, dass die Spannung am OVLO-Pin unter normalen Betriebsbedingungen unter Vbg bleiben sollte.

MAX1756x Verpolschutz

Der Verpolschutz des ICs kann durch Ziehen des *RIEN-Pins nach GND aktiviert werden. Soll diese Funktion genutzt werden ist zu beachten, dass ungepolte Bypass-Kondensatoren am Eingang des ICs verwendet werden müssen. Nutzt man wie ich es getan habe Elkos, so explodieren diese, sollte die Betriebsspannung verpolt werden.

Fehler *FLAG Ausgang

Der MAX1756x zeigt unter den folgenden Bedingungen einen Stromversorgungsfehler über seinen *FLAG-Port an:

Thermische Überlast
Überspannungsereignis definiert durch OVLO
Verpolung: wenn der Verpolschutz *RIEN aktiviert wurde
Überlaststrom, definiert durch SETI

Empfehlung: TVS-Dioden verwenden

Wie das Datenblatt empfiehlt und meine Erfahrung aus früheren Vorfällen zeigt, würde ich 27V Transient Voltage Suppressor diodes parallel zu den beiden Eingangs- und Ausgangsports des MAX1756x verwenden. Sie schützt (alle induktiven) Lastschaltungen vor negativen Spannungsspitzen beim Abschalten und den IC selbst vor Überspannungen beim Anschluss einer spannungsführenden Stromversorgung. Außerdem begrenzt er die Eingangsspannung in umgekehrter Richtung auf unbedenkliche Werte.

Empfehlung 2: Verwenden Sie nicht polarisierte Eingangskondensatoren

Um Probleme beim Neustart des IC zu vermeiden, wenn er an “schwache” Stromversorgungen oder hochohmige Eingangsleitungen angeschlossen ist, sollten größere nicht-polarisierte Eingangskondensatoren als üblich verwendet werden (nein, “100nF” sind eher nicht genug!) - insbesondere, wenn kapazitive oder andere Lasten betrieben werden, die Eingangsstoßströme verursachen.

Für weitere Informationen zur Vermeidung von Problemen in diesem Bereich bitte in meinen Blog-Eintrag über Einschaltstrombegrenzer weiterstöbern.

Zu beachten: Obwohl ich das Datenblatt gründlich gelesen und die Daten sorgfältig hinzugefügt habe, kann ich natürlich keinerlei Garantie für die Ergebnisse übernehmen, die Sie mit diesem Tool erzielen. ↩︎

Einschaltstrombegrenzer - Teil1

Schallbert — Sun, 14 Nov 2021

Elektronikwissen: Einschaltstrombegrenzer

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Einschaltstrombegrenzer in Aktion.

Was ist das?

Ein Einschaltstrom ist der Stromstoß, der direkt nach dem Einschalten durch einen Stromkreis fließt, bis der Stromkreis seinen stabilen Zustand erreicht hat. Hohe Einschaltströme sind oft unerwünscht, da sie Schaltungsteile überlasten und deren Lebensdauer verkürzen können, elektromagnetische Störungen verursachen und einen kurzzeitigen Spannungsabfall bewirken, der zu ständigen Neustarts eines gesteuerten Geräts wie hier beschrieben oder zu anderem unerwünschten Verhalten führen kann.

Beispiel

Oszillograf: Einschaltstrom einer Lampe mit Glühfaden ^[1]

Glühlampe: Die rosa Linie ist die Ausgangsspannung des Netzteils, die gelbe Linie zeigt den Strom. Man kann erkennen, dass das Netzteil die Ausgangsspannung verringert, um die Stromaufnahme während des Starts zu reduzieren. Nach etwa 100ms stabilisiert sich die Spannung, da der Stromfluss durch die Lampe immer noch ein wenig abnimmt, während der Glühfaden langsam seine Temperatur erreicht.

Hintergrund

Der Glühfaden des Leutmittels wirkt wie ein Widerstand mit positivem Temperaturkoeffizienten (PTC): Bei Raumtemperatur hat er einen sehr niedrigen Widerstand, bei seiner normalen Betriebstemperatur von ~3300K einen viel höheren. Ein kleines Experiment beweist dies: Nehme ich eine “116W”-Halogenglühbirne, so beträgt ihr Widerstand im “eingeschwungenen Zustand” bei 230V etwa \(R_{steady} = \frac{U^2}{P} = 456{Ohm}\). Wenn ich den Widerstand der Lampe im kalten Zustand mit einem Multimeter messe, liegt der Wert bei \(R_{off} = 38.6{Ohm}\). Während durch die Glühlampe im eingeschalteten Zustand ein Strom von \(I_{steady} = 0.5A\) fließt, liegt ihr Einschaltstrom bei etwa \(I_{inrush} = 6A\) - also zwölf mal so hoch!

Einschaltstrombegrenzer-Schaltungen

Einschaltstrombegrenzer werden häufig in Geräten mit großen induktiven oder kapazitiven Lasten eingesetzt. Beispiele (Link zu Texas Instruments) sind Transformatoren, Motoren (induktiv), Leistungsverstärker, Schaltnetzteile (kapazitiv) usw.

Es gibt verschiedene Arten von Einschaltstrombegrenzern (TI application note) mit unterschiedlicher Komplexität.

Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizient (NTC) / Heißleiter / Thermistor

Ein Einschaltstrombegrenzer als NTC-Widerstand in Reihe zur Last ist die einfachste Schaltung in dieser Aufzählung. Sie besteht aus nur einem zusätzlichen Bauteil. Das Verhalten des NTC-Widerstands gegenüber der Temperatur ist dem des obigen Glühbirnenbeispiels entgegengesetzt: Sein Widerstand nimmt mit steigender Temperatur ab, so dass mehr Strom durch den Stromkreis fließen kann.

Bei den meisten NTCs verhält sich der Widerstand logarithmisch zur Temperatur, er sinkt also sehr stark bei zunehmender Temperatur. So kann er Einschaltstrompulse sehr effektiv unterdrücken. Nachteilig ist der Eigenenergiebedarf, der den Widerstand auf Betriebstemperatur hält. Diese Schaltung wird dort verwendet, wo geringe Kosten wichtig sind, das System einfach gehalten werden soll und der zusätzliche Energieverbrauch kein Problem darstellt.

Widerstand mit Bypass-Relais

Diese Schaltung vermeidet die Nachteile eines zusätzlichen Serienwiderstands zur Last durch Hinzufügen eines Leistungswiderstands und eines Relais. Sie wird typischerweise in Gleichstromversorgungen mit hoher Leistung oder empfindlichen Geräten wie Verstärkern verwendet. Der Relaiskontakt ist im unbestromten Zustand offen und parallel zum Leistungswiderstand verdrahtet, der je nach Last einen Wert von typischerweise “1…22 Ohm” hat. Dahinter wird die Last angeschlossen, die den Einschaltstrom verursacht. Für dieses Beispiel nehme ich die Glühbirne eines Autos als Last. Beim Einschalten des Geräts begrenzt der Widerstand den Stromkreis und die Spannung auf der Lastseite steigt allmählich an. Sobald die Spannung an der Basis des NPN-“BC337”-Transistors hoch genug ist, schaltet er sich ein und lässt Strom durch die Relaisspule fließen, die dann den Leistungswiderstand kurzschließt, so dass die Last ihren Nennstrom ziehen kann.

Die Werte von R2, R3 hängen von der Spannung hinter R1 ab, wenn sich die Schaltung bei ausgeschaltetem Relais im eingeschwungenen Zustand befindet. Des Weiteren ist die Charakteristik des Transistors und der Betriebsstrom der Relaisspule zu berücksichtigen. In meinem Beispiel wählte ich R2 = 1kOhm, da der Transistor ~40mA für den Betrieb des Relais durchlassen muss. Diesen Wert habe ich dem Datenblatt des BC337, Parameter Stromverstärkung, entnommen. Da ich das Relais nicht zu früh schalten lassen wollte, habe ich R3 hinzugefügt. Je höher sein Widerstand, desto früher wird das Relais aktiv. Ein zu geringer Widerstand hingegen reduziert die Basisspannung des BC337 so weit, dass er das Relais nicht mehr treiben kann - hier muss ein wenig experimentiert werden.

In diesem Anwendungsbeispiel für den “Soft Start” eines Ringtrafos (Elektronik-Kompendium) kommt eine ähnliche Schaltung zum Einsatz.

Und so verhält sich der Schaltkreis in der Realität:

Ich habe mir die Freiheit genommen, einen Schalter hinzuzufügen, damit die Steuerung der Stromversorgung für mich bequemer wird. Das Relais ist mit einer Freilaufdiode ausgestattet, um den Transistor vor negativen Spannungsspitzen zu schützen.

Das Problem des Einschaltstroms ist tatsächlich gelöst. Der Vergleich (gelbe Linie) zeigt einen ungeregelten Einschaltstrom von 3.5A, während der Begrenzer ihn auf 0.8A reduziert, was nur knapp über dem Nennstrom liegt. Ein Leistungswiderstand mit kleinerem Wert hätte diesen Strom noch weiter reduziert.

Die grüne Linie zeigt die Basisspannung des BC337 an. Man erkennt, dass sie langsam ansteigt (die Genauigkeit des Oszilloskops ist bei 40VPP nicht die beste) und das Relais einschaltet, wenn sich der Stromfluss (gelbe Linie) stabilisiert hat.

Sanftanlauf / konfigurierbare Strombegrenzung

Es gibt spezielle ICs, die den Sanftanlauf eines Systems unterstützen, je nach

Leistungsbedarf
Hochlaufzeit
Beschränkungen der Anstiegsgeschwindigkeit
Maximalstrom

Darüber hinaus gibt es verschiedene Arten von Einschaltstrombegrenzern, die je nach Anwendung ausgewählt werden können:

Zeitgesteuert: Das System wird nach einer bestimmten Zeit vollständig eingeschaltet (einfach, aber dumm)
Spannungsgesteuert: Das System wird oberhalb eines Spannungsauslösepegels vollständig eingeschaltet (immer noch einfach, mittlere Kosten)
Stromgesteuert: Begrenzt den Systemstrom oder schaltet das System auf der Grundlage eines Stromauslösepegels vollständig ein (wahrscheinlich teurer) Hinsichtlich der Anforderungen des Systems muss dann ein passender IC gewählt werden. Typische Namen sind hier Power Supervisors, IC soft starter, Supervisor & Reset IC oder ähnlich. Sie können intern sogar mit Leistungstransistoren ausgestattet sein und selbsttätig schalten, wie z.B. MAX17562 (Analog Devices) für meine Evolution von AnywhereAmps.

Weiterlesen: Einschaltstrombegrenzer - Teil2

TVS-Dioden

Schallbert — Sat, 13 Nov 2021

Elektronikwissen zur TVS-Diode

Was ist das?

Eine Transient voltage suppressor diode schützt eine Schaltung vor Spannungsspitzen, die deutlich über der Nennspannung des Schaltkreises liegen. Sie sind für verschiedene Auslösespannungen und Ableitströme verfügbar. Zudem gibt es unterschiedliche Typen, wovon einige sogar sowohl vor positiven als auch vor negativen Spannungsspitzen schützen können.

Unterschiede zwischen TVS- und Zenerdioden

Wie Zener-Dioden, werden TVS-Dioden in Sperrrichtung eingebaut. Sie haben sogar dasselbe Symbol.

Doch währen Zenerdioden ihren Arbeitspunkt sehr nahe der Durchbruchspannung haben, werden TVS-Dioden üblicherweise weit darunter betrieben. Somit schließen sie Überspannungsspitzen kurz (Link zu Toshiba) auf für den Schaltkreis ungefährliche Spannungen und sind dafür ausgelegt, sehr hohe Pulsströme ableiten zu können.

Abgrenzung zwischen TVS- and Schottkydioden

Das Symbol für Schottkydioden unterscheidet sich nur geringfügig von Zener/TVS-Dioden. Sie haben in der Regel eine niedrigere Durchlassspannung als ihre Siliziumpendants und sind für ihre schnelle Schaltgeschwindigkeit bekannt. Deshalb werden sie neben Gleichrichterschaltungen auch häufig in Verpolungsschutzschaltungen eingesetzt. TVS-Dioden haben das gleiche schnelle Schaltverhalten und die niedrige Vorwärtsspannung, aber im Gegensatz zu Schottkys haben sie einen genau definierten Schwellenwert für die Sperrspannung und vertragen besonders hohe Pulsströme.

Auswahl der richtigen TVS-Diode

Für Gleichstromanwendungen sollte eine unidirektionale TVS-Diode verwendet werden. Ihre Durchbruchspannung ist so zu wählen, dass sie etwas über der normalen Betriebsspannung liegt. Des Weiteren ist die Klemmspannung relevant, die weiter “unten” auf der Linie des zugehörigen Diagramms abzulesen ist. Liegt sie immer noch unter den “absoluten Maximalwerten” Ihrer zu schützenden Schaltung Schaltung? Wenn nicht ist eine andere TVS-Diode zu wählen oder ein Kompromiss bei der Spannung einzugehen (dabei nicht die Durchbruchspannung des TVS überschreiten). Alternativ kann auch eine andere Vorrichtung zur Unterdrückung von Spannungsspitzen wie einen spannungsabhängiger Widerstand oder ähnliches verwendet werden.

Strom/Spannungs-Diagramm einer typischen TVS-Diode ^[1]

Power supervisor MAX1756x bei kapazitiver Last

Schallbert — Tue, 02 Nov 2021

Argh, ich habe Teile meiner Power&Preamp Schaltung für AnywhereAmps Alpha hochgejagt. Beim Testen.

Vorfall

Ich habe versehentlich VBat und GND auf meiner Platine vertauscht. Man sollte meinen, dass so etwas gar nicht passiert, doch ich muss nicht richtig aufgepasst haben. Der Kondensator für Entkopplung der Spannungseingangs explodierte sofort, aber mein Supervisor-Chip schützte den Rest der Schaltung.

Reparatur und Tests

Nach der Reparatur mit einem Keramikkondensator habe ich einige Tests durchgeführt.

Verpolungstest - BESTANDEN
Harter Kurzschluss gegen Masse - BESTANDEN
Unterspannungsabschaltung - BESTANDEN
Wiederholung der normalen Spannung - …

Unregelmäßigkeit

Als ich dann aber die Spannung langsam erhöhte, um die Unterspannungssperre zu umgehen, ließ sich das System nicht einschalten. Der Stromverbrauch stieg aber trotzdem an. Zur Analyse schloss ich ein Oszilloskop an, um zu sehen, was vor sich ging. Man kann sehen, dass die Kapazität der Endstufe (>1400µF) wie ein weicher Kurzschluss gegen Masse wirkt, so dass die Versorgungsspannung innerhalb von 50µs um 2V auf den Auslösepegel der Unterspannungsabschaltung abfällt. Der Supervisor-IC schaltet dann die Last ab, so dass die Versorgungsspannung wieder ansteigt. Ich vermute, dass der Regler des Netzteils deswegen so komische Geräusche macht.

Nach Ablauf der Wartezeit nach Abschalten durch Fehler (Datenblatt MAX1756x) versucht er erneut, sich einzuschalten, und der ganze Vorgang beginnt von vorne.

Vorfall #2

Als ich die Spannung an der VCC-Schiene, die den Vorverstärker, die Endstufe und den 9-V-Spannungsregler versorgt, während des erfolglosen Einschaltens gemessen habe, war mir aufgefallen, dass negative Spannungsspitzen bei etwa -4V auftreten, wenn das Supervisor-IC abschaltet. Dies wird durch die Induktivitäten in den Versorgungsleitungen der Endstufe verursacht. Während ich mich noch wunderte, dass diese ständigen Resets nicht gut sein könnten, explodierte mein Vorstufen-IC. Doof.

Was ich gelernt habe

Niemals einen gepolten Kondensator als Masse/Bypass “vor” den Schutzschaltungen verwenden!
Bypass-Kondensatoren größer als 100nF direkt an Spannungsdetektoren verwenden, wenn die geschalteten Lasten kapazitiv sind. Sie helfen, die Spannung lokal zu stabilisieren und wiederkehrende Neustarts zu vermeiden.
Zum Schutz der Ausgangsseite eines Leistungsschalters eine Schottky- oder TVS-Diode (Transient Voltage Suppressor) hinzufügen, die potenziell schädliche Spannungen abfangen kann.
Vorsichtshalber den Einschaltstrom (Folgeartikel) begrenzen. Bei der nächsten Überarbeitung der Schaltung werde ich auf MAX17563 umsteigen. Er hat eine programmierbare Strombegrenzung, damit die Eingangsspannung gar nicht erst zu niedrig wird.

Schutz vor negativen Spannungsspitzen

Für meine Anwendung reicht eine schnell schaltende Klemmdiode in Schottky-Bauweise aus, da die Schaltung hinter dem MAX1756x-IC keine Überspannungsspitzen, sondern nur Rückwärtsspannungsspitzen (aufgrund der Induktivitäten im Schaltregler- und Verstärkerdesign) abbekommen wird. In diesem Artikel, erkläre ich Transient Voltage Suppressors im Detail.

Meine Platinen sind angekommen!

Schallbert — Sat, 16 Oct 2021

Fortsetzung des Artikels PCB Hardware Design

Lieferung

Nach weniger als zwei Wochen sind meine Platinen endlich angekommen. Zusammen mit allen Teilen, die zum Löten benötigt werden. Ich finde, sie sehen wunderschön aus 🙂

Löten: Schritt-für-Schritt

Ich beschloss, die Platine in Abschnitten zu löten, beginnend mit dem Stromversorgungsbereich. Auf diese Weise kann ich die Abschnitte unabhängig voneinander testen und gegebenenfalls Fehler korrigieren. Der SOIC (Small Outline Integrated Circuit)-Umriss kann immer noch leicht von Hand gelötet werden, wenn man viel Flussmittel und eine Lupe für die optische Inspektion verwendet. Das einzige Problem war, dass der IC ein “exponiertes Pad” hat, d.h. es gibt eine Massefläche an der Unterseite des ICs zur besseren Wärmeableitung. Das zu löten war ein Albtraum. Schließlich gelang es mir, durch eine der unteren Durchkontaktierungen zu löten, während ich den Lötkolben fast eine Minute lang an einer anderen Durchkontaktierung hielt, bis es endlich klappte. Mit dem Ergebnis bin ich aber sehr zufrieden. Das System kann durch Ziehen von *HVEN nach Masse aktiviert werden, wodurch die LED aufleuchtet. Die Tests auf Unterspannung/Kurzschluss verliefen sehr gut - der Akku ist jetzt geschützt.

Auch die Vorverstärkersektion war leicht zu löten. Nur die gepolten Kondensatoren erwiesen sich als so groß, dass sie einen großen Teil des Lötpads verdeckten - das ist ein Problem, weil das Lötzinn nicht sowohl Kondensator als auch Pad verbinden wollte, sondern nur an einem der beiden Kontakte hängen blieb. Ich half schließlich mit einem winzigen Stück Brückendraht nach.

Der 9V-Schaltregler-Teil - nun ja… Ich habe es überhaupt nicht geschafft, ihn von Hand zu löten. Quadruple Flat Packs ohne Pins (QFN) sind schon schwer genug zu löten. Aber dieses Teil hier hat auch noch ein freiliegendes Pad auf der Unterseite und ich musste viel Massefläche vorhalten, um die Hitze von diesem Bauteil weg zu bekommen. Also konnte ich nicht einmal die Temperatur für den Lötvorgang hoch genug bekommen. Also habe ich mir eine Heißluftstation geliehen, und nach einigen ängstlichen Versuchen und dem Ertränken der Komponenten in Flussmittel habe ich es schließlich geschafft.

Mit einem Makro-Objektiv auf meiner Kamera habe ich die Lötstellen dann geprüft.

Funktionstest

Ich habe einen Tiefpass und einen Hochpass in das Design eingebaut, um 2-Wege-Lautsprechersysteme zu unterstützen. Um die drei Vorverstärkerausgänge (Fullrange, Tiefpass, Hochpass) zu testen, habe ich den Vorverstärker direkt an meinen Lautsprecher angeschlossen. Das ist keine gute Idee, denn die Impedanz des Lautsprechers ist viel niedriger als die des OP-Verstärkers, so dass die Ausgangsleistung sehr gering ist. Außerdem verbrauchen die unteren Frequenzen die meiste Leistung, so dass der Klang, den man hört, bereits ein “Hochpass” ist und die Lautstärke des Tiefpasses wesentlich geringer ist. Trotzdem funktioniert es, und ich kann die Verstärkung wie vorgesehen einstellen.

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Preamp test

Das war alles, mein Design funktioniert! Da das alles quelloffen ist, steht es jedem frei zum Download auf meinem Github Repo zur Verfügung.

Lektionen

Hier sind die Designfehler, die in Revision2 korrigiert werden sollten:

Alle Komponenten in der gleichen Ausrichtung platziert werden (z.B. horizontal)
“Thermische Entlastungen” (kurze Abschnitte, an denen die Leiterplan einen geringeren Querschnitt aufweist) sollten häufiger verwendet werden, um Lötprobleme aufgrund von zu starker Wärmeleitung zu vermeiden.
Freiliegende Pads: Beim Handlöten müssen die entsprechenden Lötpads zu den Seiten des ICs hin erweitert werden, um die Wärmeleitung des Lots zu verbessern
QFN-Fußabdrücke sind beim Handlöten falls möglich zu vermeiden. Sie sind lästig.
Wenn möglich, keine Bauteile mit “exposed pad” oder “power pad” verwenden. Eine Heißluftstation könnte ansonsten unumgänglich werden.
Schön viel Platz zwischen den Bauteilpads lassen, vor allem bei horizontaler Anordnung.
Da SMD-Kondensatoren mehr Höhe haben, sollten Sie größere Lötpads vorsehen.

Tipps für besseres Hardware Design

Schallbert — Tue, 21 Sep 2021

Motivation

Ich habe meine erste Anfrage für die Fertigung eines AnywhereAmps Alpha. Da ich nicht noch einmal 10h für den Bau aufwenden möchte, habe ich beschlossen, die Zeit in die Beschleunigung des Herstellungsprozesses zu investieren. Ich fand heraus, dass ich etwa eine Stunde pro Verstärker sparen könnte, wenn ich die Platine für mich herstellen lassen würde. Leider hat mich die Umstellung der Platine von manuellem Schneiden, Fräsen, Bohren und Löten auf ein PCB-Design doppelt so viel Zeit gekostet, als wenn ich sie bereits komplett gebaut hätte. Und ich weiß noch nicht einmal, ob das funktioniert. Aber fangen wir von vorne an.

Anforderungen an die neue Leiterplatte

Die Platine soll enthalten

die Vorverstärkerschaltung, wie sie für AnywhereAmps Alpha entworfen wurde
die Zwei-Wege-Weichenschaltung, wie sie für zukünftige AnywhereAmps Beta entwickelt wurde
einen schaltenden Abwärtswandler zur Bereitstellung von 9V DC für Aux-Effekte
eine Stromüberwachungsschaltung, die sowohl Batterie als auch Platine vor Überlastung, Kurzschluss, Unterspannung und Rückspannung schützt

Auf diese Weise möchte ich die Elektronik schrittweise professionalisieren. Ich beabsichtige, die gleiche Platine für alle Varianten der AnywhereAmps zu verwenden. Außerdem würde ich einige externe Komponenten loswerden, die ich von Hand herstellen und platzieren musste: Sicherung, hochstromfähiger Netzschalter, 9V-Regler und seine Kühlung, sowie einige Kabel.

Bauteilauswahl

Abwärtswandler

Ich habe im Internet nach einem Abwärtsschaltwandler mit geringer elektromagnetischer Interferenz (EMI) und einem Ausgang von >1A bei 9V gesucht. Ein Linearregler hätte zwar weniger Störungen ausgesendet, aber bei einer Batterie-Nennspannung von 18V hätte ich im schlimmsten Fall um 9W thermische Verluste in Kauf nehmen müssen. Daher wäre diese Lösung überhaupt nicht batterieschonend gewesen. Ich entschied mich für ein (teures) Design, das alle notwendigen Komponenten in einem Baustein enthält, so dass ich nur noch das PCB-Layout richtig hinbekommen musste, um die EMI zu reduzieren. Ich fügte ein paar Bypass-Kondensatoren und einen Spannungsteiler für den Zielspannungs-Sollwert hinzu. Das war’s! (Dachte ich damals noch. So sah es tatsächlich aus)

Power Supervisor

Der einzige Schutz für meine Verstärker war bisher eine Sicherung, deren Wert auf den höchsten Betriebsstrom eingestellt war, den ich in den Schaltkreisen erwartete. In den frühen Prototypenphasen habe ich einige Operationsverstärker durch versehentliche Verpolung zerstört. Außerdem möchte ich vermeiden, dass der Akku völlig entladen wird, wenn ich vergesse, auf die Ladeanzeigen zu achten. Deshalb habe ich einen Power Supervisor IC ausgewählt, der Über- und Unterspannung und weitere Fehler erkennt und sowohl die Schaltkreise als auch den Akku vor Schäden schützt.

Gruppierung passiver Bauteile

Ich habe gelernt, dass die Herstellung einer Leiterplatte mit vielen verschiedenen Bauteilen teurer und fehleranfälliger ist als bei Verwendung weniger unterschiedlicher Bauteile, auch wenn ihre Gesamtzahl auf diese Weise steigt. Also habe ich viele Werte überarbeitet und die Simulation für den Audio-Vorverstärker mit diesen neuen Werten erneut durchgeführt. Schließlich gelang es mir, die Schaltung von 8/5 auf 3 verschiedene Widerstands- und 3 verschiedene Kondensatorwerte zu reduzieren!

Kondensatoren - mal wieder

Ich habe zunächst MLCC (Multilayer Ceramic Capacitors) in meinem Design verwendet, sowohl für den Bypass als auch für die Audio-Entkopplungskondensatoren. Nach erneuter Lektüre der Dokumente, auf die ich in meinem Beitrag preamp-design-considerations/ hingewiesen hatte, stellte ich fest, dass dieses Kondensator-Design Probleme mit Verzerrungen bei Audiosignalen zu haben scheint. Das Bild unten zeigt einen Vergleich verschiedener Kondensatortypen und -größen. Man erkennt, dass Folienkondensatoren hier am besten und MLCCs am schlechtesten abschneiden. Da ich keine Folienkondensatoren in der von mir benötigten Größe auf SMD-Basis finden konnte und Aluminium-Elektrolytkondensatoren zu groß waren, habe ich gepolte Tantalkondensatoren gewählt. Für die Bypass-Kondensatoren wählte ich low-ESR Typen.

TI Audio Design Journal: Vergleich verschiedener Kondensatortypen ^[1]

Schaltungsentwurf

Ich wählte die Open-Source-Software KiCad als Werkzeug zum Schaltungsentwurf und zeichnete alle meine bestehenden Schaltpläne neu, wobei ich die oben beschriebenen Komponenten hinzufügte. Man erkennt gut, dass der Verstärkerteil nur die rechte Hälfte des Schaltplans füllt, während die linke Hälfte der Stromversorgung und der Überwachungsschaltung gewidmet ist.

Ich habe versucht, die Schaltpläne so übersichtlich wie möglich zu gestalten, damit sie leicht zu lesen sind. Ich habe häufig globale Bezeichnungen verwendet und Steckverbinder zur einfacheren Montage hinzugefügt.

PCB-Design

Dies war der schwierigste Teil für mich. Ich habe noch nie eine Leiterplatte für Audioanwendungen entworfen, also musste ich eine Menge Richtlinien lesen, bevor ich anfing.

Anleitungen und Tutorials

Ich liste einige davon unten zur Information auf:

AnywhereAmps PCB erklärt

Das Ergebnis nach ein einigen Stunden Arbeit:

Die Platine ist in zwei Lagen vollständig geroutet.

Ich habe die Leiterplatte in drei Bereiche unterteilt.

Links: der 9V-Schaltregler, der seinem Referenzdesign (Datenblatt) folgend mit Hilfe der Bypass-Kondensatoren einen Stromkreis um sich selbst bilden und den größten Teil der elektromagnetischen Störaussendung auslöschen würde. Das thermische Design, lässt viel Platz für Kupfer und einige Durchkontaktierungen, sodass die Wärme vom Chip gut abgeführt werden kann.
Mitte: Die Stromanschlüsse und die Überwachungsschaltung. Ich habe Lötbrücken gesetzt, um die Nennspannung der Batterie für die Unterspannungserkennung auszuwählen.
Rechts und oben: Vorverstärker und analoge Signalschaltung, getrennt von der übrigen Elektronik durch eine dicke Massebahn auf der oberen Ebene und eine eigene Massefläche auf der Unterseite. Ich hoffe, das ist genug.

Da ich die ersten Prototypen von Hand löten werde, um zu prüfen, ob alles gut funktioniert, habe ich “große” 0805 SMD-Bauteile verwendet. Ich habe den Abstand zwischen den Bauteilen größer gemacht, als es die PCB-Spezifikation verlangt. Leider waren die hochintegrierten Leistungs-ICs nicht in “Hobby-Löt-Elektronik”-Größen erhältlich, so dass ich hier noch einige Mühen auf mich nehmen muss.

So wird es also aussehen. Die Leiterplatte wird 45mm x 69mm groß sein.

Herunterladen oder eigene Beiträge erwünscht?

Alle meine Zeichnungen in CAD sowie Stromlaufpläne sind quelloffen und zum Download auf meinem eigens dafür angelegten Github Repo verfügbar.

Nächste Schritte: Platinen geliefert und verlötet

Vorverstärker-Design

Schallbert — Wed, 25 Aug 2021

Auswahl der Entkopplungskondensatoren

Einige technische Hintergrundinformationen über die Auswahl der Komponenten für meine Vorverstärkerplatine.

Warum Entkopplung nötig ist

Mit Entkopplung meine ich in diesem Fall speziell die Gleichstromentkopplung (DC-Entkopplung). Der Vorverstärker muss sowohl von der Quelle (dem Musikinstrument) als auch von der Senke (dem Endverstärker) entkoppelt werden. Dies hat mehrere Gründe:

die Versorgungsspannungen der drei Partner können unterschiedlich sein (z.B. 9V Gitarrenspeisung, 18V Vorverstärker, 52V Endstufe) und ich möchte nicht versehentlich einen von ihnen kurzschließen
Ausgangsimpedanz, d.h. die Belastbarkeit der Ausgangsstufe könnte begrenzt sein. Wenn ich einen niedrigen Eingangswiderstand z.B. direkt an den Tonabnehmer einer Gitarre anschließe, kann es sein, dass ich überhaupt kein Signal herausbekomme, weil die Quellenspannung zu stark einbricht.
Rauschunterdrückung durch elektrische Entkopplung

Warum Kondensatoren die Aufgabe übernehmen können

Es gibt mehrere Möglichkeiten, Schaltungen elektrisch zu entkoppeln. Man kann einen Optokoppler verwenden, um zwei Schaltkreise vollständig (d.h. galvanisch) voneinander zu trennen. Damit wird nur das erwünschte Signal zwischen den Schaltkreisen durchgelassen. Oder man verwendet - wie in meinem Fall - einen Kondensator, um nur Wechselströme durchzulassen und Gleichstrom zu unterdrücken.

Wie funktioniert das?, fragen Sie? Nun, ein Kondensator funktioniert ein bisschen wie ein Wassertank. Wenn man eine konstante Spannung (Druck) anlegt, füllt sich der Tank bis zu einem gewissen Grad. Wenn dieser Pegel erreicht ist, fließt kein Volumenstrom mehr, weder rein noch raus. Variiert man nun aber die Spannung um einen statischen Pegel (Wasserdruckschwankung), so wird man wieder einen Volumenstrom messen, der in den Tank hinein- und herausfließt.

Genauso verhält es sich mit dem Kondensator. Wenn man ihn in Reihe mit einer Senke schaltet, wird er nur dann Strom durchlassen, wenn sich der die Eingangsspannung ändert.

Typ des Entkopplungskondensators

Keramik-Vielschichtkondensator, Polypropylen-Kondensator, Elektrolytkondensator…? Nach Lektüre dieses Leitfadens von Texas Instruments habe ich verstanden, dass es in diesem Dokument nur um Verzerrungen geht. Die Verzerrung würde am stärksten am Instrumenteneingang vor dem Vorverstärker Einfluss ausüben, da dieser von beiden Verstärkerstufen verstärkt wird. Bei der Verwendung eines Elektrolytkondensators sollte eine Vorspannung angelegt werden, um die Verzerrung im unteren Frequenzbereich zu verringern. Bei meinem Design ist die Vorspannung 1/2 von VCC, also noch höher als die in der Anleitung verwendeten 5V - ich denke, ich werde mit einem “billigen” polarisierten Aluminiumkondensator auskommen um die Verzerrungen THD+n gering zu halten.

Es gibt noch eine andere Sache, die ich bei Mehrschicht-Keramikkondensatoren (MLCCs) festgestellt habe: Wenn die Lautsprecher bei hoher Vorverstärkung nicht angeschlossen sind, spielen die von mir verwendeten Endstufen immer noch Musik! Wie kommt das? Die Endstufenplatine verwendet MLCCs, die wie Piezoaktoren wirken. Ihre Vibration wird durch die Platine, auf der sie montiert sind, verstärkt, was einen gewissen Schallpegel ergibt. Verrückt. Weitere interessante Details finden Sie im EDN-Blog oder - in einem weiteren Texas Instruments-Leitfaden.

Kondensatorgröße

Um die Größe des Kondensators zu beurteilen sind einige Aspekte zu berücksichtigen:

Ein größerer Kondensator senkt meine untere Grenzfrequenz
Ein größerer Kondensator belastet die Eingangsquelle aufgrund von Ladungsverlusten stärker
Ein größerer Kondensator kostet mehr, insbesondere die hochwertigen Kondensatoren.
Ein größerer Kondensator kann einen größeren Platzbedarf haben.

Ich wollte eine untere Grenzfrequenz von <20Hz für volle HiFi-Fähigkeit. Da dies bereits der -3dB-Punkt ist, wählte ich einen noch niedrigeren Wert von 15Hz, berechnet über \(f=\frac{1}{2 \pi RC}\). Bei einer Eingangsimpedanz von 10kOhm (der Wert des Widerstandes, der an die virtuelle Masse geklemmt wird) ergebe ich eine Zielgröße des Eingangskondensators von 1µF. Bei diesem Kondensator wird die Eingangsquelle wesentlich stärker durch den Eingangswiderstand von 10kOhm beeinflusst als durch den Kondensator mit seinem niedrigen Serienwiderstand (ESR) von einigen hundert mOhm, so dass der gewählte Wert in Ordnung ist.

Für den Ausgangskondensator ist die Berechnung ähnlich. Die Endstufe hat eine Eingangsimpedanz von 20kOhm, so dass die untere Grenzfrequenz von 17Hz bereits mit einem 0.47uF Kondensator erreicht wird. Um die Wertunterschiede in Grenzen zu halten, habe ich mich auch hier für den 1µF entschieden.

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CarSubAmp

Schallbert — Mon, 01 Jan 0001

Projekt-Steckbrief

Schwierigkeit: Anfänger 1/5
Kosten: ~50€ ohne Akku
Zeitaufwand: ~2h

Der CarSubAmp war mein erster Prototyp für einen wirklich tragbaren Basscombo (Lautsprecherbox + Verstärker), der nicht einmal eine Steckdose braucht.

Motivation

Während der Covid19-Pandemie habe ich gerne draußen im Park oder auf dem Balkon Bass gespielt und geübt. Das ist kein Problem, wenn man Kopfhörer trägt und einen kleinen Vorverstärker dabei hat. Aber es gab Gelegenheiten, bei denen ich z.B. mit einer Akustikgitarre zusammen spielen wollte, oder jemand brachte eine Synth-App mit einem MIDI-Keyboard mit - und ich war gezwungen, einen Bluetooth-Lautsprecher zu benutzen, der nicht die Ausgangsleistung hatte um akustisch mitzuhalten. Zu allem überfluss verzögert die interne Signalverarbeitung den Sound so sehr, dass sich das Spielen total abgekoppelt anfühlt.

Problem

Mein richtiger Bassverstärker ist alles andere als mobil. Gewicht: 18kg, Größe: riesig, außerdem: Ohne Steckdose in der Nähe ist er unbrauchbar.

Sackgassen

Anstelle eines Class-D-Verstärkers habe ich den Aux-Eingang eines alten Autoradios verwendet, aber der scheint “Line”-Pegel erwartet zu haben, den mein Bass nicht liefern konnte. Somit war er kaum hörbar. Außerdem war die Stromaufnahme im Leerlauf >0,5A, sodass die Batterie einfach zu schnell leer war.
Ich habe die Stromversorgung zunächst mit einer Powerbank (Power-Delivery) ausprobiert, aber der integrierte Aufwärtswandler schien nicht mit Stromstößen bei voller Lautstärke umgehen zu können, so dass die Versorgungsspannung abfiel, was zu hörbaren Verzerrungen führte.

Lösung

Nach einigem Grübeln kam ich auf die Idee, einen Li-Ion-Akku für ein kabelloses Multitool zu verwenden, der in der Lage ist, Stromstöße problemlos zu bewältigen, ein geringes Gewicht hat, über eine Akkustandsanzeige und die typischen Schutzschaltungen zur Vermeidung von Überlast, Kurzschluss, Übertemperatur, Tiefentladung usw. verfügt. Ich wollte einen Class-D Leistungsverstärker verwenden, der auf den Spannungsbereich dieser Batterie abgestimmt ist, um möglichst energieeffizient und leicht zu sein wie möglich.

Der “CarSubAmp”

Um zu prüfen, ob das Konzept realisierbar war, entnahm ich die Subwoofer-Baugruppe, die normalerweise in der Reserveradmulde sitzt, aus unserem Auto. Ich kaufte eine 20-W-Verstärkerentwicklungsplatine und nachdem ich einige Komponenten angelötet, eine Sicherung und eine 6,3-mm-Eingangsbuchse hinzugefügt hatte, war mein erster Prototyp bereit zum Ausprobieren.

Zusammenfassung

Sehr leicht, <5kg
4Ohm Subwoofer-Baugruppe bereits fertig
belüftetes Design für bessere Lautsprechereffizienz
Der Klang ist in Ordnung. Die Baugruppe ist allerdings nicht als Vollbereichslautsprecher verwendbar, da die Höhen fehlen.
Bei tiefen Tönen (d.h. bei oder unter g1) wird das System merklich leiser
Entwicklerplatine wird ohne Vorverstärker geliefert, daher ist die maximale Lautstärke bereits etwas niedrig
Bei hoher Belastung führt die belüftete Konstruktion (Bassreflex) zu hörbaren Flattergeräuschen
Aufgrund des geringen Durchmessers würde der Lautsprecher bei Hammer-ons auf tiefen Saiten an die Grenzen der Auslenkung stoßen
Alle Komponenten sind mit Heißkleber oder Klebeband befestigt, daher nicht sehr haltbar
Der Aufbau ist mit Klebstoff versiegelt. Es gibt keine einfache Möglichkeit, dafür ein Gehäuse zu bauen.

Obwohl diese Konstruktion eindeutige Nachteile hatte, gefiel sie mir sehr gut. Denn zum ersten Mal konnte ich buchstäblich überall und jederzeit spielen, wann ich wollte. Ich erwischte mich sogar auf der Couch mit diesem kleinen Verstärker, obwohl der “richtige” Verstärker nur einen Raum weiter stand.

Nach einigen Monaten, in denen ich das Ding mit mir herumtrug, 3 Mal kaputte Verbindungen nachlötete und die Batterie immer wieder neu einklebte, beschloss ich, diesem Projekt ein Upgrade zu gönnen.