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skureal media art lab

Schlonz - Amp PDF Drucken E-Mail
Freitag, 27. November 2009 um 14:10
the song and dance maschineManchmal ist die Zeit für Veränderungen reif, ohne das man es bemerkt. Es kann aber auch vorkommen, daß sich "the wind of change" durch Pfeiffen in den Boxen und Ampere-Geruch manifestiert. So geschehen im Dezember 2008, kurz nach Fertigstellung der Vorstufe Pre2.0-B1. Ein Kanal des Endverstärkers hatte den Geist aufgegeben und nach einer Woche Fehlersuche stand fest: es muss ein neuer Verstärker her. Das Netzteil mit Transformator, Gleichrichtung und Siebung war noch zu gebrauchen, und ein sehr spezielles Gehäuse wartete noch auf eine Verwendung...
 die SGI Indigo...
... ist eine Workstation von Silicon Graphics, welche am 22. Juli 1991 vorgestellt wurde. Sie basiert auf einem IP12 Board mit einem 32Bit MIPS R3000A Porzessor (33Mhz Taktrate) und bis zu 96 MB RAM. Neben Framenbuffer und Geometriebeschleunigern besass sie bereits einen Audio-DSP: den Motorola 56000. Die Audioausgangsstufe ist sehr sauber ausgeführt, WIMA Folienkondensatoren entkoppeln von der Aussenwelt. 
Diese Workstation ist praktisch unkaputtbar: bis zum heutigen läuft eine Indigo in meinem Besitz 24/7 und dient u.a. noch als Audio D/A Wandler mit 48kHz/20bit. Dazu noch eine Sonderedition: "The Song And Dance Maschine"  aus dem Jahr 1991. Einige Gehäuse standen zur weiteren Verwendung zur Verfügung, während die Innereien als Esatzteillager für die noch laufende Indigo eingelagert wurden.
In Anknüpfung an die grandiose Gaggia Espressigo sollte nun der Verstärker stilecht in einem der Indigo Gehäuse Platz finden und auch dem Namen "Song and Dance Maschine" gerecht werden.

Mit der Auswahl des Gehäuses ging allerdings auch die Anforderung einher, das Gehäuse so wenig wie möglich zu modifizieren, um das alternde Plastik zu schonen.

 

 Vorbereitungen für Gehäuse und Schaltung Fräse am arbeiten

Bevor allerdings überhaupt etwas zusammengebaut geschweige denn gelötet werden konnte, musste eine Basis für die ganze Schaltung her, denn Platinen waren ja nicht vorgesehen. Zu meinem Glück lagerte hier schon eine Jahre ein würdiger Kühlkörper, welcher nur einige Modifikationen brauchte, um an des Gehäuse angepasst zu werden, welches letztendlich den Verstärker beherbergen sollte. Gut einen Feierengel in der Stadt zu haben, wenn es um Metallbearbeitung geht! Die Fräse hat sich jedenfalls gefreut :)

Der Kühlkörper bildet die Basis der gesamten Verstärkerschaltung. Die Idee war, die LM3386 Chips sowie die Regeltransistoren des Netzteils isoliert auf ihm zu montieren und alle weiteren kleineren Bauteile direkt an ihnen anzulöten und so Kabel bzw. Platinenleiterbahnen zu vermeiden.

Demzufolge sollten auch die Eingänge so dicht wie möglich an der Verstärkerschaltung sein. Und da das Gehäuse sowieso kaum Alternativen zur Unterbringung eines Eingangsterminals bot, wurde kurzerhand eine Aussparung in den oberen Teil des Kühlkörpers gefräst.

Am Ende wurde dann noch alles mit Sand abgestrahlt und die Auflagefläche nochmal plan abgezogen.

 

 

 


Konzeption und Aufbau des Netzteils

Getreu dem John Farlowe'schen Grundsatz: „Ein Verstärker ist ein frequenzmoduliertes Netzteil“ wurde zuerst das Netzteil konzipiert. Trafo und Siebung waren noch vorhanden, allerdings sollte nun eine Spannungsregulierung dazu kommen. Dafür kam nur eine diskret aufgebaute Regelstufe ohne Gegenkopplung in Frage. Nach guter Väter Sitte wurde eine Emitterfolger Schaltung mit Zener Referenz konzipiert, änlich einer 2004 von Pedja Rogic vorgestellten Variante.

Verglichen mit heutigen konventionellen Reglern mit Gegenkopplung hat diese Regelschaltung eine relativ hohe Ausgangsimpedanz. Diese hängt aber stark vom Strom ab, welcher durch die Schaltung fließt: je höher dieser ist, desto geringer wird der Widerstand. Bei 300-400 mA sinkt er unter 0,2 Ohm. Die "Power Supply Rejection Ratio" ist von der dynamischen Impedanz der Zenderdiode abhängig, Werte von ca 40dB sind zu erwarten.

Die Zener-Spannung sollte der Wechselspannung der sekundären Transformatorwicklung entsprechen. Ein oder zwei Volt mehr sollten es sein, wenn die Stromversorgung für mehr als einen Kanal Gleichzeitig verwendet wird. Eine weitere Erhöhung schadet nicht wirklich, heizt aber die Transistoren unnötig auf. Die Ausgangsspannung entspricht der Zener-Spannung abzüglich der Vbe Spannung der verwendeten Transistoren. Die genannten Transistoren können auch durch andere gängige Typen mit kompatiblen Daten ersetzt.

Prinzipiell entspricht die Schaltung dem Bild oben (by P. Rogic), nur wurden HFA08TB60 Schottky Dioden (mit Wima Folien gebrückt) sowie eine Siebkette aus Vorhandenen Elkos (2x 10.000µF + 6x 4.700µF) verwendet. Weiterhin wurden allen Elkos wurden kleine WIMA Folien parallelgeschaltet. Der Transformator ist ein Ringkern mit einer Sekundärspannung von 2x 24V AC @ 6,8A und somit etwas zu schwach für eine Vollaussteuerung von vier LM3886. Ein zweiter Trafo und eine strikte Kanaltrennung der Stromversorgung ist als Update vorgesehen.

offenes Neteilgehäuse beim Test

Das Gehäuse der Indigo beherbergte seinerzeit ein Netzteil: einen als Einschub-Modul konzipierten Blechkasten mit bereits vorhandenen Stromanschlüssen. In diesem wurden die Gleichrichtung sowie eine erste Siebkette von 2x 10.000µF untergebracht. Alle Bauteile wurden mit jeweils direkt verlöteten Wima Folienkondensatoren gebrückt. Weiterhin bietet das Blechgehäuse eine Abschirmung der elektromagnetischen Felder. Da es aber ursprünglich für den Betrieb mit Lüfter ausgelegt war, wurde die Spannungsstabilisierung ausgelagert. Die Transistoren wurden in unmittelbarer Nähe zu den Audioschaltkreisen isoliert auf den unteren Teil des Kühlkörpers montiert, was weiterhin auch gute Wärmeabfuhr gewährleist. Direkt an den Anschlussbeinchen wurden schwebend alle weiteren Bauteile montiert. Die zweite Siebkette von 6x 4700µF wurde im Sinne kurzer Leitungswege über zwei Alu-Winkelstücke ebenfalls am Kühlkürper montiert. Von hier aus führen massive Silberdrähte mit Teflon-Isolierung zur Stablisierung und ebenso isolierte Silberdrahtlitzen vom Ausgang der Regelstufe zur Audioschaltung.

 Konzeption und Aufbau der Verstärkerschaltung

 

Da ich wieder weg von digitalen Schaltverstärkern wollte, schaute ich mich etwas beim Kaiser der analogen Gefilde um und fand einen sehr interessanten Vorschlag vom Meister selbst: Nelson Pass

Seine Idee, einen GainClone SuperSymmetrisch auszulegen weckte sofort mein Interesse. Es wurden reichlich verschiedene Varianten diskutiert und aufgrund der Vorgabe des vorhandenen Transformators entschied ich mich für Terry Aben's Design. Reichlich eine Woche wurden Bauteile auf dem Papier hin und her geschoben und LTspice bemüht, bis ein brauchbares Freiverdrahtungslayout entworfen und die Bauteilwerte an die Spannung des Netzteils angepasst waren. Ziel war, jedes Bauteil soweit möglich direkt mit seinem Nachbarn zu verbinden, um so Überganswiderstände zwischen Bauteilen und Kupferauflage der Leiterbahnen zu minimieren. Auch sollte der Signalweg so kurz und das Layout so symmetrisch wie möglich sein. 

P2Pwiring Gono style

Wie im obigen Bild zu sehen, wurden linker und rechter Kanal so weit es ging räumlich getrennt. Jeweils an den Aussenseiten sitzen die SuSy-Einggangsstufen (mit BD139). Mittig zu erkennen die Ausgangsfilter (C4+R18, C5+R19) und der zentrale Masseknoten. Alle Bauteile konnten direkt miteinander verbunden werden, nur 6 kurze Silberlitzen mussten in Richtung Masseknoten gezogen werden.

Links im Bild die Versorgungsspannungsregelung, das Kondensatorenboard mit 6x4700µF fehlt in dieser Ansicht.

Der erste Erfolgreiche Testlauf. Das Netzteilgehäuse mit Trafo, Gleichrichtern und erster Siebung ist nicht zu sehen. Rechts im Bild der Mute Schalter mit 4x 10kOhm und seperaten Leitungen zu den 4 LM3886 Chips.

Einbau in das Indigo-Gehäuse 

Mittels Senkkopfschrauben mit sehr flachen Köpfen gelang es den Kühlkörper im Erweiterungs-Board-Schacht des inneren Indigo Metallgehäuses zu fixieren. Aufgrund der beengten Verhältnisse bedurfte es einer Winkelbohrmaschine, allerdings passte der Kühlkörper auf Anhieb perfekt. Sämtlich Anschlüsse konnten durch bereits vorhandene Gehäuseöffnungen geführt werden oder fanden in einem eigens dafür ausgespartem Bereich des Kühlkörpers Platz.

 

 

 

Der fertige SchlonzAmp im Indigo-Gehäuse und daneben das Original-Graphics-Board (Entry mit LG1 / 8Bit) mit dem "The Song and Dance Maschine" Logo ist im obigen Bild zu sehen.

Bild links: Gehäuse ohne Plaste-Frontklappe, rechts zusätzlich mit geöffnetem Board-Schacht: jeweils rechts oben im Bild das Netzteilgehäuse und in der linken Hälfte die Kondensatorenplatine (6x 4700µF) und darüber die Symmetrierstufe, dahinter die auf dem Kühlkörper montierten Audio- und Spannungsstabilisierungsschaltkreise.

die Symmetrierstufe

Der SchlonzAmp verfügt über symmetrische (XLR) und asymmetrische (Cinch) Eingänge. Im Falle einer asymmetrischen Ansteuerung wird der "IN-" Eingang auf Masse gezogen. Demzufolge arbeitet auch nur noch eine Seite der supersymmetrischen Verstärkerbrücke. Bei Verwendung von 4Ohm Lautsprechern arbeitet die noch aktive Verstärkerhälfte auf eine 2Ohm Ausgangslast. Ein für den LM3886 kritischer Wert, bei dem die interne Schutzschaltung limitierend (mit den üblichen hässlichen Verzerrungen) eingreift. Zur Ausschöpfung des vollen Leistungspotentials und der Unterdrückung von Gleichtakt-Einstreuungen im symmetrischen Betrieb ist es daher notwendig, die Endstufe symmetrisch anzusteuern. Da es aber ausser Mikrophonen und MC-Tonabnehmern keine "echten" symmetrischen Quellen gibt, ist es naheliegend den Endverstärker mit einer Symmetrierstufe auszustatten, welche ein andocken mit üblichen Cinchkabeln ermöglicht.

Die einfachste Variante ist einen Trenntransformator zu verwenden. Damit können zusätzlich Brummschleifen mittels galvanischer Trennung vermieden werden. Persönlich wird der Trafosymmetrierung auch ein klanglicher Vorzug gegenüber aktiven Lösungen zugeschrieben.

Eine andere Methode stellen sogenannte Instrumentenverstärker dar, die aus Operationsverstärkern aufgebaut sind. ZweiDRV134 von TI waren noch verfügbar, und so wurde kurzerhand eine aktive Symmetrierstufe aufgebaut. Jeder OP bekam seine eigene Spannungsstabilisierung aus einem Päärchen 7815/7915 Reglern, deren Eingang mit einer 0,1µF Folie von Mundorf gebrückt wurde. Die Verstärkung in der Stufe beträgt 2. 

Die Schaltung ist einfach aufzubauen und vielfach im Netz zu finden. Eine Variarion von Zang(digi01) wird hier stellvertretend vorgestellt und entspricht im wesentlichen der in der Indigo verbauten Version:

Für C5, C6, C1 und C2 wurden die schon erwähnten Mundorf Kondensatoren verwendet, die noch aus einem früheren Vorstufen-Projekt verblieben waren.

Aufgrund der höheren Verstärkung gegenüber einem 1:1 Übertrager wird die Endstufe leichter ausgesteuert, mit der B1-Buffer-Vorstufe sind allerdings genügend Reserven vorhanden. Der Klang ist knackig und analytisch, im A/B Vergleich zum Übertrager aber nicht so schön im musikalischen Fluss. 

Da die alten Laufwerks-Schächte des Indigogehäuses noch ungenutzt sind, besteht die Idee, auf einem der 3,5" Laufwerksschächte eine Platine mit einer Röhren-Symmetrierstufe aufzubauen, welche durch die geöffnete Front-Plastikklappe zu sehen wäre.

 

 

 

 

 

 

 

 Danksagung

Für die Realisierung des Projektes gebührt mein Dank Nelson Pass, Terry Aben, Juma, Schlonzbasti, Feierengel und Heidi.

Nelson & DIYaudio followers: keep on brainstorming and building amps like this! 

This Project is dedicated to the project-crew of "The Song and Dance Maschine", one of the first Computers with buildin audio DSP: the Silicon Graphics SGI IRIS Indigo IP12

Updates

Seit knapp einem halben Jahr läuft der SchlonzAmp ohne Probleme, meist die ganze Zeit. Selbst gewaltige dubstep-Bassgewitter oder Verschiebungen einer Phase im Stromnetz von Ilmenau konnten ihm etwas anhaben. Der Klang ist stressfrei und wohltuend. Trotzalledem sind einige Updates geplant, es könnte ja vielleicht noch etwas "besser" klingen...

  • Symmetrierstufe auf Röhrenbasis
  • Kanalgetrenntes Netzteil und seperate Stabilisierungkreise für jeden der vier LM3886
  • seperate Siebung mit 47.000µF pro LM3886
  • Netzfilter-Drosselspule
Des weiteren sind umfassende Untersuchungen des Klirrverhaltens des Verstärkers geplant, um ggf. Lösungen für eine Einflussnahme auf dieses zu erarbeiten.

 

Photogallery

Die Bilder in voller Auflösung gibts hier

Simulation in LTspice

In kürze werden an dieser Stelle alle zur Simulation in LTspice nötigen Datein zu finden sein. Bis dahin empfehle ich die Artikel LM3386 in LTspice nutzen und BD139 in LTspice .

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