AnywhereAmps on Schallberts Blog

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. ↩︎

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.

Arbeitsabläufe mit FreeCAD

Schallbert — Tue, 12 Oct 2021

Motivation

FreeCad logo ^[1]

Ich habe gerade eine zweite Bestellung für AnywhereAmps Alpha erhalten. Mein erster Prototyp hat bereits ein neues Zuhause, also werde ich mindestens drei weitere Exemplare bauen. Alle Holzarbeiten, die von Hand ausgeführt werden, würden 4-5 Stunden pro Exemplar in Anspruch nehmen, also habe ich mich entschlossen, sie auf den eigentlichen Bauprozess zu beschränken, der - hoffentlich - nur eine Stunde dauert. Dies möchte ich erreichen, indem ich die Holzteile mit einer CNC-Maschine fräsen lasse.

CAD-Werkzeug

Eine solche Maschine würde die Pläne, die ich von Hand skizziert habe, nicht verarbeiten. Also musste ich mich mit einer Software vertraut machen, die 2D-Skizzen in ein 3D-Modell umwandeln kann, und schließlich mit einem weiteren Werkzeug, das die Komponenten des 3D-Modells in eine Bahnsteuerung für die CNC-Maschine übersetzt, mit der ich meine Teile fräsen will. Für die 3D-Arbeiten habe ich die Software FreeCAD gewählt.

Aller Anfang ist schwer

Aber FreeCAD ist… naja, ich bin halt kein CAD-Designer oder Maschinenbauingenieur. Daher ist der Einstieg in dieses Tool für mich ziemlich schwierig. Glücklicherweise gibt es einige gute Tutorials wie dieses: youtube link, dennoch habe ich einige Stunden gebraucht, bis ich mein erstes Teil gezeichnet hatte. Außerdem ist das, was auf dem Bild rechts zu erkennen ist, noch lange nicht der fertige Entwurf.

FreeCAD Arbeitsablauf

FreeCAD ist meiner Meinung nach (Stand Ende 2021) kein selbsterklärendes Werkzeug. Es ist sehr vielseitig und daher komplex und umfangreich. Da ich es zum Zeichnen von 3D-Teilen und/oder zur G-Code-Generierung verwenden möchte, werde ich nur eine Handvoll seiner Arbeitsbereiche benötigen.

Natürlich können die folgenden Zeilen nicht mehr als eine Schnellstartanleitung sein. Es gibt tonnenweise hilfreiches Material wie ein FreeCad Wiki, ein Forum, und viele, viele Tutorial-Videos usw., die die Dinge besser und ausführlicher erklären als ich es kann. https://wiki.freecad.org/Getting_started

Erst die Abmessungen - das Modul “Spreadsheet”

Schaffen wir zuerst einen zentralen Ort, an dem wir alle Maße unseres Projekts aufbewahren. Wir werden sie später in den Zeichnungen, 3D-Modellen und Baugruppen verknüpfen, so dass sich geänderte Werte in der Kalkulationstabelle automatisch auf alles andere angewendet werden (für mich übrigens der Vorteil dieses CAD-Programms gegenüber vielen anderen, bei denen quasi von Vorn begonnen werden muss, wenn man die Größe des Bauteils anpassen möchte).

Wählen Sie das Modul “Spreadsheet” an. Erstellen Sie ein Arbeitsblatt und benennen Sie es z. B. in “Abmessungen” um.
Tragen Sie Namen Ihrer Dimensionen ein. Ich habe festgestellt, dass es gut lesbar ist, wenn Sie für jede Dimension die Namenskonvention Teil_Beschreibung_Attribut verwenden.
Nachdem Sie den Wert Ihrer Dimension eingegeben haben, klicken Sie mit der rechten Maustaste auf die Zelle und wählen Sie “Eigenschaften”.
Im folgenden Dialog wählen Sie die “Alias”-Leiste und geben den Namen des Maßes dimensionName ein.
Nun sind Sie in jeder Skizze in der Lage, diese Maße unter ihrem Alias auszuwählen. Klicken Sie “Save”, um den Dialog zu schließen.

Skizze anfertigen - scetcher in der “Parts Design Workbench”

Nun erstellen wir die erste Skizze des Teils, wobei die soeben erstellten Maße verwendet werden. Am besten beginnt man mit sogenannten Master-Skizzen, die alle Elemente einer Zeichnung in einer bestimmten Ansicht, z.B. auf der XY-Ebene, enthalten. Von ihnen werden dann die für dreidimensionale Modelle erforderlichen Grundriss-Skizzen der jeweiligen Achsenpaare abgeleitet.

Aktivieren Sie das Konstruktionsmodul “Part Design”.
Erstellen Sie einen neuen Körper mit dem blauen Baustein-Symbol.
Erstellen Sie eine neue Skizze für diesen Körper mit dem Skizzen-Symbol. Wählen Sie z.B. die XY-Ebene.
Benennen Sie Ihre Skizze um, damit Sie sich ihren Zweck leicht merken können. Da Ihre ersten Skizzen die “Master”-Skizzen sind, schlage ich vor, sie “Master_IhrTeilename_xy” zu nennen.
Doppelklicken Sie auf die Skizze und beginnen Sie mit dem Zeichnen Ihrer Formen.
Stellen Sie sicher, dass Sie Ihre Skizze vollständig definieren (youtube link). Verwenden Sie die Abmessungen, die Sie in die Kalkulationstabelle eingegeben haben, als Hilfe: Doppelklicken Sie auf Ihre Maßeinschränkung und geben Sie “=” ein oder drücken Sie die kleine runde Schaltfläche “fx”. Geben Sie den Namen Ihrer Kalkulationstabelle ein (zum Glück gibt es hier die Autovervollständigung) und dann den Alias der Dimension, die Sie in der Definition widerspiegeln wollen.
Wiederholen Sie diesen Vorgang für jede Bemaßungsabhängigkeit Ihrer Zeichnung.

Mit Ihren fertigen Master-Skizzen (je eine für jede Achsenkombination) stehen alle Informationen für jeden Drittanbieter zur Verfügung, der Ihre Teile fertigen kann. Wenn Sie das tun möchten, können Sie Ihre Skizzen hier in DXF-Dateien exportieren, und schon sind Sie fertig. Andernfalls: Lesen Sie unten weiter.

3D-Teile erstellen - Teile Design Workbench

Um ein echtes 3D-Teil aus Ihren Master-Skizzen zu erstellen, müssen Sie davon abgeleitete Skizzen erstellen, die extrudiert oder ausgeschnitten werden können. Sie müssen zunächst verstehen, wie FreeCAD Teile und Skizzen baumartig ausrichtet: Jedes extrudierte (3D)-Teil hat eine zugrunde liegende Skizze, die definiert, wie es aussieht. Seine Extrusionsrichtung hängt direkt von der Ebene der Skizze ab. Jedes Teil kann eine oder mehrere Bezugsebenen haben, an denen andere Teile befestigt werden können, die wiederum Teile, Löcher oder Taschen auf dieser spezifischen Fläche bilden.

FreeCAD zeigt nur das “letzte” Mitglied des Bauteilbaums an, das alle abhängigen Teile enthält, die Sie zuvor entworfen haben. Um die Sichtbarkeit umzuschalten, drücken Sie einfach die Leertaste.

Erstellen Sie eine neue Skizze in der Baumstruktur Ihres Teils. Dies wird Ihr erstes “Pad” sein, d.h. Ihr eigentliches 3D-Teil.
Wählen Sie das Werkzeug create an edge linked to an external geometry (Hotkey “X”) und wählen Sie das Basisteil Ihrer ursprünglichen Master-Skizze aus.
Zeichnen Sie Ihre Form so, dass sie mit dieser Form übereinstimmt, und legen Sie ihre Maße fest, wiederum unter Verwendung der zuvor erstellten Bemaßungstabelle. Sie sollten dies jedoch nicht allzu oft benötigen, da Sie alle möglichen Kanten, die Sie finden konnten, bereits mit Ihrer Musterskizze verknüpft haben.
Jetzt kommt der spaßige Teil: Schließen Sie die Skizze, klicken Sie dann auf das Symbol pad a selected sketch und geben Sie die gewünschte Höhe des Teils ein.
Das war’s!
Um ein weiteres Teil, eine Tasche oder ein Loch auf einer der Flächen Ihres Teiles zu erstellen, erstellen Sie zunächst eine neue Skizze und geben Sie ihr einen aussagekräftigen Namen. Klicken Sie dann auf die Fläche, auf der diese Skizze basieren soll. Wählen Sie schließlich das Werkzeug set the Support of a scetch und wählen Sie die zuvor erstellte Skizze aus. Wiederholen Sie den Vorgang ab Schritt 2, bis Ihr Teil vollständig ist.

Hm, Ihr neues Teil sitzt direkt auf dem Master-Sketch, so dass Sie es nicht mehr sehen können? Keine Panik, lesen Sie einfach weiter.

3D-Teile anordnen - das Modul “Draft”

Meiner Meinung nach ist es sehr mühsam, Teile in der Konstruktionswerkbank neu anzuordnen. Es wird viel einfacher, wenn Sie die Werkbank “Entwurf” (Draft) für diese Aufgabe verwenden. Auch hier können Sie Teile einfach klonen und nach Ihren Vorstellungen anordnen.

Aktivieren Sie das Modul “Draft”.
Wählen Sie das Pad/Teil, an dem Sie zuvor gearbeitet haben, im Teilebaum aus.
Klicken Sie auf das Schaf-Symbol, um Ihr Teil zu klonen.
Machen Sie das ursprüngliche Pad unsichtbar, indem Sie die Leertaste drücken, während das Teil aktiv ist.
Wählen Sie das geklonte Teil aus und benennen Sie es sinnvoll um, z.B. derGerät_part.
Wählen Sie das “Verschieben”-Symbol (im obigen Bild grün markiert).

Eine Verschiebe-Operation besteht aus zwei Schritten: Zuerst müssen Sie die Referenzposition für Ihre Verschiebung eingeben. Entweder wählen Sie den Punkt aus, indem Sie irgendwo in der 3D-Ansicht klicken und dann den Cursor ein wenig bewegen (meine Empfehlung), oder Sie geben den Bezugspunkt in die Felder auf der linken Seite ein und bestätigen jede Achse mit “Enter”. Der zweite Schritt ist die eigentliche Bewegung gegenüber Ihrem Referenzpunkt. Ich empfehle, diese Werte mit der Tastatur einzugeben, da es unglaublich schwierig ist, mit der Maus eine exakte Position anzufahren. Bestätigen Sie mit “Enter”, und die Verschiebung sollte abgeschlossen sein.

Cool, jetzt haben Sie ein Bemaßungsblatt, Master-Skizzen, die Ihre Teile vollständig spezifizieren, die Teile selbst als 3D-Körper und das alles ordentlich sortiert in Ihrer Ansicht!

TechDraw: Erstellen Sie eine klassische “Papier 2D” Zeichnung als PDF

Abschließend möchten Sie vielleicht eine klassische 2D-Zeichnung Ihres Teils exportieren? Zum Glück ist keine schwere Aufgabe.

Aktivieren Sie das TechDraw-Modul.
Drücken Sie das Symbol “Standardseite einfügen”.
Wählen Sie im Teilebaum das 3D-Teil aus, das Sie zeichnen lassen möchten.
Drücken Sie auf das Symbol “Mehrere Ansichten von zeichnungsfähigen Objekten einfügen” und wählen Sie die Ansichten aus, die vorhanden sein sollen.
Fügen Sie mithilfe der Symbolleiste Maße, Anmerkungen usw. hinzu.
Verwenden Sie die Funktion “Ansichtsrahmen ein-/ausschalten”, wenn sich Ihre Geometrien überschneiden, damit Sie sie wieder auswählen können.
Fügen Sie bei Bedarf kosmetische Linien ein, z. B. um Symmetrielinien zu zeichnen.

Das resultierende Dokument könnte wie folgt aussehen:

Weitere Informationen zu diesem Modul sind auf dem FreeCAD Wiki verfügbar.

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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Shelly13 - Teil2

Schallbert — Fri, 09 Jul 2021

Shelly13: Projektstatus, Prototypenskizzen

Ich denke immer noch viel über Shelly13 nach und darüber, wie ein größerer Lautsprecher, ein homogener Klang mit etwas Punch und ein versiegeltes Gehäuse, das sich zusammenklappen lässt, umsetzbar wäre.

Gehäuse: Dimensionierung und Volumen

Die letzten Entwürfe in meinem Kopf benötigen 12x10 und 14x10 Zoll Kessel. Der Combo wird aufgeklappt ein bisschen wie eine Torte aussehen, mit einem Gesamtvolumen von ca. 38l inkl. Lautsprecher und Verstärker im Inneren. Die Gesamthöhe wird mit ausgeklappten Füßen ca. 75cm betragen, zusammengeklappt ist er ca. 29cm hoch.

Lautsprecher

Während mein erster Entwurf einen 10"-Lautsprecher an der Vorderseite des Gehäuses vorsieht, werde ich höchstwahrscheinlich zu einem Zwei-Wege-Design wechseln, um die Montage zu vereinfachen und die Probleme mit dem Fräsen einer großen gewölbten Fläche und der Herstellung einer Adapterplatte zu verringern. Ich werde also einen 8"-Basslautsprecher in einem Downfire-Setup und einen 3"-Mittelhochtonlautsprecher an der Front wählen.

Verstärkung

Ich denke darüber nach, einen Car-Hifi-Verstärker zu verwenden, der sein Signal von einer aktiven Frequenzweiche mit getrennten Ausgängen für tiefe und hohe Frequenzen erhält, wodurch ein Bi-Amp-Design mit gebrückten Anschlüssen entsteht.

Klappmechanismus

Das Zusammenklappen erfolgt mit Hilfe von Teleskopschienen, die zwischen den Kesseln montiert werden. Es ist wichtig, dass das Gehäuse im aufgeklappten Zustand luftdicht verschlossen ist. Deshalb muss ein Dichtungsring vorhanden sein, der einrastet, wenn der untere Holzring des 12"-Kessels auf den oberen Ring des 14"-Kessels trifft.

Nein, das ist zu komplex!

Ok, vereinfachen wir das Konzept. Lassen wir die Faltbarkeit für den ersten Prototyp weg. Reduzieren wir stattdessen die Gehäusegröße. Konzentrieren wir uns zunächst auf die Elektronik und die Herstellbarkeit. Das Ergebnis dieser Umfangsänderung ist: AnywhereAmps Alpha!

Shelly13 - Teil1

Schallbert — Mon, 28 Jun 2021

Nachdem ich eine Weile mit MobFobAmp gespielt hatte, wollte ich einen weiteren Schritt in der Entwicklung zu einer wirklich guten tragbaren Lösung gehen. Mit diesem Design versuche ich, die Unzulänglichkeiten der vorherigen Prototypen zu beheben:

Die Ausgangsleistung könnte höher sein
Mehr Volumen in den tiefen Tönen wäre schön
Der Klappmechanismus ist ein bisschen fummelig.
Ich hätte gerne eine Entfaltung in einem Schritt, am besten mit einer Hand möglich
Mechanische Stabilität und Robustheit könnten verbessert werden
Empfindliche Bauteile an der Außenseite, die mit Vorsicht zu behandeln sind

Ein erster Entwurf

Unter Berücksichtigung der oben genannten Punkte habe ich herausgefunden, dass ich bei der Faltbarkeit einige Kompromisse eingehen muss, um alle empfindlichen Komponenten einschließlich der Lautsprecherchassis in das Innere des Gehäuses zu bringen. Ein kugelförmiges Design wäre ideal für ein optimales Verhältnis zwischen Abmessungen und Volumen, aber ich wüsste nicht, wie man ein solches Design herstellt. Also entschied ich mich für einen zylindrischen Ansatz. Ich möchte, dass der Lautsprecher “aufklappt”, damit er beim Zusammenklappen vor mechanischen Schäden geschützt ist. Meine erste Idee sieht also so aus:

Einschränkungen

Ich kann die Zylinder nicht selbst herstellen, also müsste ich einen Schlagzeughersteller bitten, mir ein paar unfertige Tom-Toms in Sondergröße zu schicken. Selbst wenn ich diese bekomme, muss ich auf einer gekrümmten Oberfläche schneiden, was ich noch nie gemacht habe, und ich müsste etwas 3D-Drucken / Fräsen, um eine Adapterplatte zwischen Lautsprecher und Zylinder herzustellen… Oder werde ich den Lautsprecher einfach oben/unten anbringen? Außerdem müsste ich mir überlegen, wie ich einen leistungsfähigeren Verstärker in mein Design einbauen kann - es gibt einige Ideen wie diesen Pioneer-Auto-Verstärker oder den spezialisierten Hi-Fi-Verstärker von DIY Class D, aber die haben sehr unterschiedliche und möglicherweise hohe Anforderungen an die Stromversorgung…

Fazit

Es gibt also einige offene Baustellen. Ich lasse die Punkte mal auf mich wirken und schaue dann, wie ich mit diesen Problemen am besten umgehe.

AnywhereAmps - Alpha

Schallbert — Mon, 01 Jan 0001

Mobiler Instrumentenverstärker/Combo-Prototyp basierend auf Shelly13. AnywhereAmps Alpha zeichnet sich durch einen geringen Stromverbrauch und eine kleine Stellfläche aus. Er ist als sehr tragbarer Vollbereichs-Übungsverstärker mit einem Gesamtgewicht von nur 3,1 kg konzipiert. Er verfügt über eine einstellbare Verstärkung und eine 9V DC-Versorgung für externe Effektpedale.

Projekt-Statistiken

Schwierigkeit: Amateur 3/5
Kosten: ~170€
Zeitaufwand: 10h

Impressionen

Impressionen vom Einsatz meines AnywhereAmp Alpha.

Alpha kann auch aufrecht gespielt werden, ideal in kleinen Räumen

9V Spannungswandler für Bodeneffektpedale

Minimalistische Bedienelemente: Ein/Aus Schalter, Verstärkung, 6,3mm Klinke Eingang, 9V Ausgang

31cm Durchmesser, 9l Volumen

Akku auf der Rückseite montiert, zum Abnehmen nach oben ziehen, Restkapazität leicht ablesbar

Vor- und Endstufe sind übereinander angeordnet

Klangbeispiele

Bass samples

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Hauptsächlich höhere Töne

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Hart angeschlagen

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Leersaiten & Flageoletts

Alle Beispiele aufgenommen mit dem H4n von Zoom, Bass: Ibanez SR1500PD gebaut 1992, Tonblende auf Hals-Pickups, Lautstärke-Potentiometer voll aufgedreht.

Abmessungen

Trommelkessel: 12 "x6". Die Gesamthöhe beträgt etwa 17 cm, die Breite 30 cm und die Tiefe (ohne Batterie) 32 cm. Das umschlossene Volumen inkl. Verstärker und Lautsprecher beträgt ~9l. Ich verwende geschlossenes Gehäusedesign.

Sound Hardware

Lautsprecher: 4" Basslautsprecher und zwei Piezo-Hochtöner
Class D-Verstärker mit 30W Leistung (gebrückt)
14,4V Li-Ion Werkzeugakku
Alle empfindlichen Teile befinden sich im Inneren des Gehäuses
Speziell angefertigter Vorverstärker mit 0...27dB einstellbarer Verstärkung

Simulation

Die Simulation zeigt, dass die Lautstärke des ~9l gedämpften Gehäuses perfekt zu dem gewählten 4" Lautsprecher passt. Sie reicht bis auf 44Hz hinunter (F#1, ein Ganzton oberhalb der tiefsten offenen Saite eines (4-Saiter) Basses, E1). Es gibt druckvolle Bässe bei noch guter Präzision. Der Nachteil ist der geringe Wirkungsgrad von nur 78 dB/W/m, so dass die zu erwartende Maximallautstärke bei der Leistungsaufnahme eher gering ist und der Lautsprecher früh an seine Auslenkungsgrenzen kommt.

Vorverstärker im Eigenbau

Der von mir gewählte Class-D-Verstärker benötigt einen Line-Pegel-Eingang, so dass ich einen Vorverstärker in mein Design einbauen musste, um eine ausreichende Lautstärke aus der Endstufe zu erhalten. Selbst die billigsten Vorverstärker wie dieser von Art Pro Audio würden das Design erheblich verteuern. Sie bringen recht viel auf die Waagen und benötigen recht viel Energie, vor allem, wenn es sich um Röhrenvorverstärker handelt. Sie haben oft spezielle Anforderungen an die Eingangsspannung (z. B. nur Wechselstrom). Außerdem würde sich ihr Design nicht in meins einfügen.

Also beschloss ich, selbst eine Verstärkerstufe mit geringem Stromverbrauch aus möglichst wenigen Bauteilen zu entwickeln. Hier klicken um die technischen Details zu überspringen

Spannungsschienen

Da der Vorverstärker Wechselspannungssignale verstärken soll, ich aber nur eine Batteriespannungsschiene zur Verfügung habe, musste ich mir zunächst überlegen, wie ich ein virtuelles Massepotenzial schaffen kann, das den Nullpunkt des Signals für die Verstärkungsstufe darstellt. Glücklicherweise gibt es eine Menge Design-Richtlinien darüber, wie man den Verstärker mit einer einzigen Spannungsquelle betreibt, so dass ich nicht bei Null anfangen musste.

Verstärkungsstufe

AnywhereAmps Alpha sollte ein Mehrzweck-Instrumentencombo sein, so dass ein breiter Verstärkungsbereich zur Verfügung stehen sollte, um alles von einer passiven Gitarre bis zu einem Line-Level-Keyboard auf Spannungspegel zu bringen, mit denen die Endstufe umgehen kann. Deshalb habe ich mich für einen 0-27dB Verstärkungsbereich entschieden und als Widerstände für die Rückkopplungsschleife 10kOhm und ein 250kOhm logarithmisches Potentiometer gewählt.

Schaltungssimulation

Ich habe LTspice von Analog Devices verwendet um zu simulieren, wie sich diese Schaltung bei einem typischen Audiosignal zwischen 20Hz und 20kHz verhalten könnte. Aus meinem Studium erinnere ich mich daran, dass mich ein so genannter Bode-Plot am meisten interessieren müsste. Dieser kann sowohl Amplitude als auch Phasenlage über der Frequenz in einer doppelt-logarithmischen Skala darstellen. Praktischerweise bietet LTspice eine solche Funktion. Wie man sieht, bleibt der Ausgang des Vorverstärkers - grün - bis in den 10kHz-Bereich flach und die Phase verschiebt sich nur geringfügig, während das Eingangssignal - blau - ~27dB darunter bleibt.

Op-Amp Auswahl

Tja. Ich habe dieses Design auf meinem Steckbrett mit einem Mehrzweck-Operationsverstärker den ich herumliegen hatte, aufgebaut. Das klappte… nicht besonders gut. Als ich einen Funktionsgenerator am Eingang anschloss und am Ausgang des LM324 eine Sinuswelle erwartete, erhielt ich am Ausgang überhaupt keine Sinuswelle, sondern einen Halbsinus mit einigen Stufen und entladungsähnlichen Kurven um 0, gefolgt von einem negativen Halbsinus… Nach einiger Suche fand ich heraus, dass dies “Übergabeverzerrung” genannt wird und durch die asymmetrische Ausgangsstufe dieses speziellen Operationsverstärkertyps verursacht wird. Ich konnte den Effekt ein wenig reduzieren, indem ich einen höheren Laststrom am Ausgang anlegte. Aber letztendlich wollte ich einen Operationsverstärker nehmen, der für meine Audioanwendung ohne Rail-to-Rail-Fähigkeit und mit höherem Rauschabstand besser geeignet war. Zum Glück gibt es einige Seiten zu diesem Thema wie Cicfy Research’s Op-Amp shootout. Unter Abwägung eines vernünftigen Stückpreises und der Verfügbarkeit bei meinem Elektronikhändler habe ich mich für den NE5532P entschieden. Das folgende Video zeigt, was ich mit der aktualisierten Op-Amp-Auswahl erreicht habe.

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Sinuswelle am Vorverstärker

Schaltungsentwurf

Ich wollte, dass meine Platine so wenig Platz wie möglich beansprucht, während die Leiterbahnen für die Gleichspannungsversorgung wie ein Rahmen an den Außenseiten der Platine liegen. Die linke Hälfte der Platine ist für die Erzeugung des virtuellen Massepotentials zuständig, während die rechte Hälfte den Verstärkungsteil übernimmt. Das Design ist minimalistisch und verwendet nur vier Widerstände und drei Kondensatoren.

Einen tieferen Einblick in die Technik erhalten Sie in meinen Design-Überlegungen.

Klangqualität

Der AnywhereAmps Alpha ist im Leerlauf absolut leise, selbst bei voll aufgedrehter Verstärkung ist nur ein leichtes Zischen der Hochtöner zu vernehmen. Kein Brummen, kein Kratzen beim Drehen des Gain-Reglers. Dank des weiten Gain-Bereichs von 0dB für Line-Pegel wie Keyboards, Preamp-Instrumente, Mobiltelefone und bis zu +27dB für passive Bässe oder Gitarren-Direkteingänge funktioniert er mit jedem Instrument. Die maximale Lautstärke ist in Ordnung, obwohl die tiefen Töne zu früh “abflachen”, was den nutzbaren Lautstärkebereich z.B. für Orgeln und 5-saitige Bässe einschränkt. Für Frequenzen im Bassbereich bei hoher Lautstärke kommt es immer noch auf die Physik an - je größer, desto besser. Einige Klangbeispiele finden Sie oben.

Zusammenfassung

Für das Gehäuse habe ich bei Cube Personal Drums einige rohe Tom-Tom-Kessel in Sondergröße bestellt. Das Bohren und vor allem das Fräsen einer gekrümmten Oberfläche von Hand erwies sich als schwierig, und die Tatsache, dass ich keine richtige Holzwerkstatt besitze und die ganze Arbeit auf dem Balkon meiner Wohnung erledigte, machte es nicht einfacher. Aber nach ca. 10 Stunden inkl. Löt- und Elektronikarbeiten habe ich jetzt mehr als nur eine super-portable Instrumentenkombination.

Es ist ein Möbelstück.

Ich werde viel darüber spielen. Außerdem motiviert mich der gute Klang mehr denn je, den nächsten Schritt zu tun und die Wiedergabe des Tieftonbereichs mit einem weiteren, größeren Prototyp zu verbessern.

Vorteile:

Ich mag das Design.
Passt in Standard-Tom-Taschen!
Leichtgewicht, 3.1kg inkl. Batterie, 2.6kg ohne
Ladezustand der Batterie kann auf einen Blick abgelesen werden
Verdeckte Bedienelemente: Vermeidet ungewollte Bedienung
Noch robuster: Die gesamte Elektronik und das Lautsprecherchassis sind im Inneren montiert
Inklusive “9V, 1.6A”-Stromversorgungsbuchse für Effekte, Pedale, etc.
Klingt gut für jedes Instrument, da es fast das gesamte hörbare Frequenzspektrum wiedergibt
Läuft >20h mit einer Batterieladung (14,4V, 4Ah) als Übungsverstärker bei moderater Lautstärke
Läuft >3 Stunden mit einer Batterieladung bei maximaler Lautstärke

Unvollkommenheiten:

Zu klein für Subbass-Wiedergabe.
Keine automatische Stummschaltung beim Ein- und Ausschalten des Verstärkers -> Pop-Noise
Natürlich nicht genug Lautstärke, um ein Schlagzeug oder ein Plugged-Band-Setup zu bedienen.
Sieht komisch aus mit den großen Batteriepacks auf der Rückseite. Die Verwendung eines “Flat Pack” wäre schön

AnywhereAmps Alpha: DIY Replik

Eigenbau? Klar, gern. Unten ist die Schritt-für-Schritt-Anleitung verlinkt! AnywhereAmps Alpha DIY Anleitung

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Alpha live!

AnywhereAmps - Alpha 1.1

Schallbert — Mon, 01 Jan 0001

Mobiler Instrumenten-Verstärker/Cabinet-Kombi-Prototyp Version 1.1, entwickelt aus AnywhereAmps Alpha.

Projekt-Statistiken

Schwierigkeit: Amateur 3/5
Kosten: ~200€ plus Batteriesystem
Zeitaufwand: 3h

Aktualisierungen gegenüber Alpha 1.0:

Hinzufügen einer Stromüberwachungsschaltung, um sowohl den Verstärker als auch das Akkupack vor abnormalen Spannungen / Strömen zu schützen
Integrierter Ein/Aus-Schalter im Potentiometer
Geringere Komplexität durch Verwendung eines hocheffizienten Breitbandlautsprechers anstelle eines 2-Wege-Systems mit 3 Lautsprechern
Hinzufügen eines hocheffizienten Abwärtswandlers zur Erzeugung einer 9-V-Effektspannungsschiene
Geringere Bauzeit durch Verwendung einer kundenspezifischen Leiterplatte mit Vorverstärker, Abwärtswandler und “Power Supervisor”
Reduzierte Bauzeit, da Großteil der Holzarbeiten an eine Portalfräse (CNC¹) ausgelagert werden konnte
Einschaltknackgeräusche eliminiert durch Hinzufügen eines RC-Filters zum Standby-Eingang der Endstufe

Bauvarianten

Um den Klang meines Prototyps weiter zu verfeinern, habe ich dieses Mal verschiedene Varianten gebaut. Ich habe die Chassis ausgetauscht und den Klang bewertet:

Alpha 1.0: 30W gebrückter Verstärker, 4" Bass und 2x Piezo-Hochtöner: HiFi-ähnlicher Sound mit druckvollen Bässen und klaren Höhen, limitiert in der maximalen Lautstärke
Alpha 1.1 v1: 30W gebrückter Verstärker, 4" PA-Treiber, gute Lautstärke und hohe Präsenz, aber unterrepräsentierte Bässe und Höhen
Alpha 1.1 v2: 30W gebrückter Verstärker, 4" PA-Treiber und Passivmembran, satte Bässe aber etwas dumpf in den Höhen

Meine eigene Platine für Vorverstärker und Zusatzfunktionen

Die AnywhereAmps 1.1 PCB bietet neben dem reinen Vorverstärker plus Tiefpass und Hochpass für Bi-Amping noch einige Zusatzfunktionen. Die Details sind in den folgenden Abschnitten beschrieben.

Power Supervisor

Ich habe eine Power Supervisor-Schaltung hinzugefügt, um zu verhindern, dass die Batterie komplett leer gezogen wird. Außerdem wollte ich die Risiken durch Kurzschlüsse und andere Fehlerzustände, die die Batterie beschädigen könnten, verringern. Die Integration dieser Technologie funktionierte auf Anhieb (was ich nicht erwartet hatte). Der einzige Nachteil ist, dass der Verstärker bei einer Entladung der Batterie auf z. B. 10 % manchmal neu startet, wenn die Versorgungsspannung unter die Auslösespannung des Überwachungsgeräts fällt. Da die Batteriespannung wieder ansteigt, wenn die Last abfällt, schaltet er sich eine Sekunde später wieder ein.

Dies ist eindeutig ein unerwünschtes Verhalten und muss in einem weiteren, verbesserten Prototyp behandelt werden. Ein weiterer Punkt, der diesen Folgeprototypen notwendig macht, ist die Tatsache, dass ich in meinen zukünftigen Entwürfen keine Batterien des Werkzeugherstellers verwenden darf wie hier diskutiert.

9V Abwärtswandler

Zur Erzeugung von zusätzlichen 9V für Geräte wie Effekte, Looper usw. verwende ich einen Schaltregler. Ich wollte das Rauschen reduzieren, indem ich einen “leisen” Schaltregler wählte. Der von mir gewählte Regler wurde für Anwendungen im Automobilbereich entwickelt und hat die Induktivitäten in seinem Gehäuse integriert. Von Nachteil ist, dass der Baustein kaum von Hand gelötet werden kann. Außerdem ist er sehr teuer.

Der Wandler schaltet sich ein, wenn ein Gerät in die entsprechende Buchse eingesteckt wird, so dass es keinen Standby-Strom gibt. Er arbeitet leise (aber nicht ganz rauschfrei) und bietet mehr als genug Leistung für die Anwendungen, die ich bisher habe - ein Looper, ein Kompressor und ein Tuner können problemlos parallel betrieben werden.

Holzbearbeitung

Ich habe ein Portalfräsmaschinen-Set gekauft, um die Holzbearbeitung für AnywhereAmps zu delegieren. Ich wollte weniger Zeit für Sägen und Schleifen aufwenden und die Verarbeitungsqualität sowie die Wiederverwendbarkeit verbessern. Aber um die manuelle Holzbearbeitung durch eine mehr oder weniger automatisierte Bearbeitung zu ersetzen, musste ich zunächst meine Pläne in die digitale Welt übertragen.

Computer Aided Design

Ich wählte FreeCAD als Konstruktionswerkzeug, um Zeichnungen zu erstellen. Die Arbeit damit habe ich in einigen posts dokumentiert und meinen Arbeitsablauf z.B. hier weiter verbessert. Meine erste Skizze zur Herstellung sah so aus.

Mit der Aufteilung der Holzplatte war ich noch nicht ganz zufrieden. Ich fand die Beine zu lang und habe noch einige Stunden in die Verfeinerung des Entwurfs investiert, um weniger Platz zu benötigen, da die Kapazität meiner Portalfräse begrenzt ist.

Computer Aided Manufacturing

Als ich fertig war, exportierte ich die Skizzen als *.dxf-Dateien (Drawing Interchange File Format (DXF), 1982 von AutoDesk eingeführt. Es wurde schließlich zum Industriestandard für den Austausch von 2D-Zeichnungen) und öffnete sie in meinem CAM-Werkzeug, um Werkzeugwege zu definieren, den XY-Nullpunkt und die Z-Tiefe pro Durchgang festzulegen.

G-Code

Am Ende erhält man G-Code-Dateien, die so nachbearbeitet waren, dass sie zur Maschine passten, mit einer geschätzten Bearbeitungszeit von 32 Minuten pro Exemplar. Ich verwendete nur drei Werkzeuge: einen 6-mm-Fräser für die Ausschnitte, einen 2-mm-Fräser für kleinere Löcher und Strukturen und ein Gravierwerkzeug für Fasen und das Logo. Ich teilte die Arbeit in drei Aufträge auf:

job00_clamping, um Löcher und Senkungen zu schneiden, damit das Werkstück am Maschinenbett befestigt werden kann
job01_nesting, um alle Ausschnitte zu fertigen und Gravuren auf dem Verstärkerträger zu machen, aber Anbindungen stehen zu lassen, damit sich die Teile nicht losreißen
job02_finishing, der das Logo auf die (bereits gefärbte) Oberseite graviert und Fasen hinzufügt, wo es nötig ist

Für die Endbearbeitung musste ich die CAD- und CAM-Dateien aktualisieren, damit sie eine gespiegelte (und um -90° gedrehte) Ansicht des Werkstücks liefern. Dies ermöglicht das zweiseitige Fräsen mit demselben XY-Nullpunkt und den exakt gleichen Seiten, die den Anschlag berühren, um minimale Toleranzen zu erzielen.

Nacharbeit

Ich musste noch ein wenig Handarbeit leisten, z. B. Gewindebohrungen abschleifen, Wachs für eine bessere Oberfläche auftragen, und einige Löcher für Streben und Ständer schneiden, die meine CNC nicht fertigen konnte.

Mit der CNC habe ich Adapter für meine Handoberfräse hergestellt, damit sie über die gebogene Oberfläche des Zylinders gleiten kann. Auf diese Weise konnten die Löcher, die ich zuvor für die Lautsprecher geschnitten hatte, richtig abgeschrägt werden.

Außerdem ließ ich von der CNC eine Halterung für das Gehäuse im 3D-Modus anfertigen (mit *.STL-Dateien). Auf diese Weise wird der Kessel an seinem Platz gehalten, wenn ich mit meiner Handbohrmaschine Löcher für die Lautsprecher bohre. Übrigens: 3D-Fräsungen brauchen viel Zeit, da die Nachbearbeitung in kleinen Schritten erfolgt, um eine glatte Oberfläche zu erhalten.

Das Bohren von Löchern mit einem Durchmesser von mehr als 100mm von Hand lässt keine gute Oberflächenqualität auf der Innenseite des Gehäuses zu und die Handhabung des riesigen Bohrers ist immer noch eine Qual. Leider ist meine CNC nicht in der Lage, diese Aufgabe für mich zu übernehmen, daher wird das wohl weiter ein manueller Prozess bleiben.

Eindrücke

Eindrücke meines AnywhereAmps Alpha V1.1

Battery attached and switched on

Front view, initial version of speaker protective grille

A view from below shows the passive radiator, extending the speaker's low-end

Preparing final assembly

A view inside: Ampcarrier and circuits

Allowing the wax to dry before final assembly

Computerized Numerical Control ↩︎

AnywhereAmps - Alpha 1.2

Schallbert — Mon, 01 Jan 0001

Alpha 1.2 v1: 2x15W bi-amped, 2x3.2" Hochmitteltöner, 8" Subwoofer: Sehr gut balancierte, trockene Bässe und gute Höhen, in den Mitten etwas zu kräftig, die höchsten Höhen dafür etwas stumpf. Sehr hohes Gewicht.
Alpha 1.2 v2: 2x15W bi-amped, 4" PA Treiber, 5.5" passive membrane, 2x piezo tweeters: Sehr ausgeglichener Sound mit guten Lautstärkereserven, dafür ziemlich aufwendig in der Herstellung

I’ll continue writing here once I selected the best variant.

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.

MobFobAmp

Schallbert — Mon, 01 Jan 0001

Ein zweiter Prototyp meines mobilen Instrumentenverstärkers, dieses mal mit klappbarem Design. 28l Box mit 17cm Tiefmitteltöner. 15W Verstärkerleistung. 7.3kg inkl. Akku. Geeignet für E-Bass, Akustikgitarre, E-Piano.

Projekt-Steckbrief

Schwierigkeitsgrad: herausfordernd 4/5
Kosten: ~140€ ohne Akku
Zeitaufwand: ~15h

Vorstellung

Ein paar Bilder von meinem mobilen, klappbaren Bassverstärker 'MobFobAmp'.

Benötigt zusammengeklappt extrem wenig Platz

Flaches Design, leicht zu tragen

28l Gehäusevolumen wenn ausgeklappt, geschlossenes Design

Durch eine Höhe von 53cm auch als Hocker verwendbar

17cm Bass-Mittenlautsprecher, 4Ah-Akkupack für lange Laufzeit

Ein Blick nach Innen

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MobFobAmp Soundbeispiel

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A/B/A Vergleich geschlossenes vs. offenes Gehäuse

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MobFobAmp und Piano, externer Vorverstärker, maximale Lautstärke

Alle Aufnahmen habe ich mit meinem Smartphone gemacht. Dennoch bringen sie den Klang des Verstärkers realistisch rüber.¹

“MobFoBamp”: Motivation

Um die Nachteile meines vorherigen Prototypen zu beheben, wollte ich es mal mit einem größeren Lautsprecher und mehr Volumen probieren. Leider macht einem so eine große Box ja das Tragen schwer, also dachte ich mir, wenn man quasi die Luft raus ließe für den Transport, wäre das nicht eine Lösung…?

Die Idee: Klappbox

Eine Klappbox ^[1]

In Anlehnung an das Konzept einer Faltbox, wie es hier gezeigt wird, beschloss ich, dass mein Combo zum einfachen Transport zusammenklappbar sein sollte. Ich entschied mich zunächst für eine geschlossene Konstruktion, damit ich mich nicht um die Berechnung von Lüftungsöffnungen, Resonanzfrequenzen und Gruppenlaufzeiten kümmern musste.

Ich musste mir Gedanken darüber machen, wie ich Lautsprecher und Elektronik integrieren konnte, ohne die Möglichkeit zu verlieren, das Gehäuse vollständig zusammenzulegen.

Abmessungen

Ich habe die Breite des Gehäuses so gewählt, dass es bei Bedarf bequem in meine Bass-Gigbag passt. Alle anderen Abmessungen ergaben sich von selbst - die Höhe musste mindestens doppelt so groß sein wie die Breite, damit der obere und untere Deckel im zusammengeklappten Zustand untergebracht werden konnte (aber nicht zu hoch, um die Steifigkeit nicht zu reduzieren). Die “Tiefe” musste kleiner sein als “0,5*Breite” - (Materialstärke + Scharnierdicke), sonst würde das Falten nicht funktionieren, weil die Seiten im Weg wären.

Sound-Hardware

Für den Leistungsverstärker habe ich mich für das Modul entschieden, das ich schon früher gekauft habe. Ich wählte einen 6,5-Zoll-Hi-Fi-Tieftöner (50W, 4Ohm) mit niedriger Resonanzfrequenz, passend zu meinem geschlossenen Gehäuse.

Simulation

Dann führte ich einige Simulationen durch, um herauszufinden, ob Gehäuse und Lautsprecher gut zusammenpassen würden.

Der geschätzte Qtc-Wert läge bei 0,63 anstelle des empfohlenen Wertes von 0,71 (optimale Sprungantwort), so dass das Gehäuse etwas überdämpft wäre und “straffer” klingen würde, aber im Vergleich zu einer optimalen Einstellung an Volumen am unteren Ende verlieren würde. Der Bau einer Box ist leider immer ein Kompromiss zwischen Klang, Leistung, Größe, Gewicht, Frequenzgang und Lautstärke, wobei ich Prioritäten setzen und bestimmte Attribute etwas vernachlässigen musste.

Ausprobieren

Als ich nach etwa 15 Stunden mit dem Bau des Gehäuses fertig war, war ich sehr erfreut zu sehen, dass es luftdicht schließt und solide und stabil steht. Für das Ausklappen brauchte ich weniger als 60 Sekunden, für das Zurückklappen in den ursprünglichen Zustand sogar weniger als 30 Sekunden. Da der Maximalpegel immer noch etwas niedrig war, fügte ich dem Setup ein Kompressorpedal hinzu, das einen Gain-Regler hatte, den ich als Vorverstärker verwenden konnte.

Der Klang dieses Geräts ist erstaunlich. Straffe Bässe, warme Mitten und subtile, aber brillante Höhen passen sehr gut zum charakteristischen Klang der Bassgitarre. Die maximale Lautstärke ist begrenzt, aber sie reicht immer aus, um mit einer Akustikgitarre mithalten zu können. Ich benutze ihn ständig als Übungsverstärker.

Klangqualität

Der wichtigste Aspekt eines Combos ist sicherlich, wie er klingt. Durch das faltbare Design kann er in zwei verschiedenen Setups betrieben werden.

Geschlossen: Straffer und ausgewogener Klang, guter Tiefbass-Punch. Ohne Vorverstärker ist der maximale Pegel OK, um mit einer Akustikgitarre zu spielen
Belüftet: Unterer Deckel um 3cm geöffnet, wobei der Riegel das Gehäuse gegen die Bodenplatte drückt. Viel lauterer Klang mit ausgeprägten tiefen Mitten, weniger ausgewogen und etwas dröhnend, Maximalpegel auf dem Niveau von Piano gespielt f.

Ich bin sehr zufrieden mit der Klangqualität, die MobFobAmp bietet. Die Option, “offen” zu spielen, erhöht die Flexibilität und lässt den Sound wirklich hervorstechen (mit den oben erwähnten Nachteilen).

Ich habe auch einige Messungen durchgeführt, um zu sehen, wie nahe das Design an einen idealen Frequenzgang herankommt, indem ich etwas Weißes Rauschen an MobFobAmp schickte und dann den Tonausgang mit einem Mikrofon aufnahm. Zum Vergleich habe ich eine Spektrumanalyse im Frequenzbereich angezeigt. Eine vollkommen neutrale Tonausgabe würde die orangefarbene Linie bei 0 dB für das gesamte Spektrum treffen. {: .align-center} Man kann sehen, dass die -3dB-Grenze oder der nutzbare Frequenzbereich von 30Hz bis ~1.5kHz reicht.

Add-Ons

9V Spannungsversorgung für Pedalboard

Ich benutze einige Effektpedale beim Üben, und ich wollte sie auch benutzen können, wenn ich MobFobAmp mitnehme. Deshalb habe ich beschlossen, eine “+9V”-Versorgungsschiene mit Hohlstecker (Außen = +) an Bord zu haben. Also kaufte ich einen seit Jahrzehnten auf dem Markt befindlichen linearen Spannungsregler aus der 78xx-Serie namens 7809 in einem TO-220-Design, der bis zu 1,5A Strom bei 9V liefern kann und einen Eingangsspannungsbereich von 11-35V akzeptiert. Das Bauteil kann mit wenigen zusätzlichen Teilen verwendet werden, wie in der Abbildung rechts gezeigt. Auf diese Weise kann ich jetzt ein Pedalboard mit der Batterie des MobFobAmp betreiben!

Piezo-Hochtöner

Als ich zum ersten Mal einen Drumcomputer mit mobfobamp benutzt habe, hatte ich das Gefühl, dass die Höhen einfach nicht ausreichen. Während sie für einen E-Bass perfekt waren, klangen die Hi-Hat, die Becken und sogar die Snare des Drumcomputers dumpf und muffig. Also bestellte ich einen einfachen Piezo-Treiber, den ich parallel zum Hauptlautsprecher anschließen konnte - das funktioniert perfekt. Ich fügte einen “2W/320Ohm”-Widerstand in Reihe mit dem Treiber hinzu, um die Pegel für meine Ohren genau richtig einzustellen. Das Ergebnis ist großartig.

MobFobAmp Vorteile:

Zusammenklappbar auf sehr kompakte Maße
Geringes Gewicht: 7.3kg inkl. Batterie, 6.9kg ohne
Läuft >20h mit einer Akkuladung als Übungsverstärker und moderater Lautstärke
Läuft >3h mit einer Batterieladung bei maximaler Lautstärke
Klingt sehr gut für Bass, E-Piano oder Akustikgitarre
Tiefe Töne bis hinunter zu “B0” funktionieren gut und klingen druckvoll
9V DC Ausgang für Vorverstärker oder Effektgeräte
Kann im “Bass Reflex Mode” für mehr Tiefmitten betrieben werden

Zu verbessern:

Ohne Piezo-Hochtöner wirken die Höhen matt und gedämpft
Geringer Headroom der Endstufe: Wenn der externe Vorverstärker zu stark aufgedreht wird, verzerrt die Endstufe vor allem tiefe Töne, erst mit Flattern, dann mit dem typischen Klang der Transistorsättigung
Die chaotische Verkabelung des Prototyps ist immer noch anfällig für mechanische Beschädigungen, daher wäre ein zusätzliches Gehäuse für die Elektronik schön
Natürlich reicht die Lautstärke und Leistung nicht aus, um ein Schlagzeug oder eine Band zu beschallen.
Ein Schutzgitter für den Lautsprecher wäre schön

MobFobAmp - DIY Replica

Natürlich ist der Nachbau erwünscht! Unten ein Link zur Anleitung. Mobfobamp DIY-Anleitung

Piano gespielt von Feliks Weber ↩︎