Modular High End Audio Amplifier AssemblyModularer High End Audio Verstärker Montage

Building a prototype

Dokumentation der Montage eines Prototyps

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AbstractEinleitung

In diesem Artikel beschreibe ich den Aufbau einer ersten Variante des modularen Verstärkers und meine Erfahrung mit der Montage. Der Aufbau der einzelnen Module wird nicht erklärt aber die Montage sowie Verbindung der Module im Verstärker. Der Aufbau erfolgt in meinem Universalgehäuse

Power supplyEnergieversorgung

Alle Module werden mittels Sechskantabstandsbolzen an das Chassis montiert. Die Länge der Bolzen beträgt normalerweise 10mm. Die Energieversorgung wird auf dem Bodenblech errichtet. Für diesen Aufbau verwende ich die Transformatoren meines alten Verstärkers. Diese haben je 160VA Leistung und sind gut geeignet aber haben etwas ungünstige Abmessungen. Vorgesehen sind Ringkerntransformatoren mit bis zu 160mm Durchmesser und etwa 70mm Höhe. Die alten Transformatoren sind übereinander gestapelt fast 90mm hoch. Also muss ich etwas improvisieren und die Länge der Abstandsbolzen entsprechend anpassen. Die Transformatoren werden auf eine FR-4 Leiterplatte mit 20 mm Lochraster montiert. Über den Transformatoren bietet eine weitere solche Lochrasterplatte als Montagemöglichkeit für weitere Module. Ich hatte erst Bedenken bezüglich der Belastbarkeit von 1,6mm starken FR4 Platten und war bei der Montage erstaunt, wie stabil diese sind. FR-4 Platten sind hier die kostengünstigste Option. Die Transformatoren werden mittels einer M6 Schlossschraube an die Lochrasterplatte montiert. dafür muss ein Loch entsprechend quadratisch gefeilt werden. Um eine hohe Stabilität zu erreichen, muss die Montageplatte nahe der Schlossschraube am Chassis montiert werden. Nahe der Schlossschraube fügte ich Senkungen an vier Stellen der Montageplatte hinzu um die Montageplatte mittels Senkkopfschrauben an Abstandsbolzen zu befestigen.
Die Transformatoren werden mit dem üblichen Montagematerial befestigt. Dabei ist wichtig, die Muttern zu kontern damit sie sich nicht lösen. Ich würde empfehlen, hochwertige Transformatoren mit elektrostatischer Schirmwicklung und magnetischer Abschirmung zu verwenden, zum Beispiel von Toroidy. Dort ist ein hochwertiger 400VA Transformator schon für etwa 70€ erhältlich. Das ist auch etwa die Leistungsklasse, die für ein Chassis dieser Größe Sinn macht.
Der zweite Transformator wird auf den unteren mit der genau gleichen Methode montiert. Der Anzugsmoment der Muttern sollte nicht zu fest sein. Die obere Montageplatte darf die Zentralbefestigung nicht berühren da die Platten beidseitig mit Kupfer beschichtet sind und eine Kurzschlusswicklung entstehen würde. Die Transformatoren sind gegenphasig montiert, was vielleicht etwas hilft das Streufeld zu verkleinern. Die Anschlussleitungen lassen nicht viel Spielraum um die Transformatoren zu drehen. Durch Drehung der Transformatoren kann Induktion in umliegende Schaltungen oftmals reduziert werden. Hierzu wird ein Kopfhörer mit sehr hoher Empfindlichkeit über eine Schutzschaltung an den Lautsprecherausgang angeschlossen und Auswirkungen der Orientierung der Transformatoren akustisch beurteilt und die Ausrichtung optimiert.
Da ich nun zwei unabhängige Transformatoren habe, gibt es viele Möglichkeiten, diese anzuschließen. Die Transformatoren haben nur eine Primärwicklung für 230V und je zwei Sekundärwicklungen zu je 18V. Mit heutigem Wissen würde ich immer Transformatoren mit zwei 110V / 115V Primärwicklungen wählen da das Gerät dann einfach an verschiedene Netzspannung unterschiedlicher Länder angepasst werden kann. Mit zwei Transformatoren würde sich ein dual mono Aufbau anbieten. Hierzu bräuchte ich zwei Gleichrichtermodule, die übereinander angeordnet möglich wären mit Kondensatoren geringerer Bauhöhe. Für einen ersten Aufbau belasse ich es bei einer gemeinsamen Energieversorgung. Vorerst konfiguriere ich die Sekundärwicklungen für niedrige Ausgangsspannung da ich den Verstärker in Klasse A betreiben möchte. Eine Verdoppelung der Ausgangsspannung durch anderen Anschluss der Sekundärwicklungen wäre möglich da das Gleichrichtermodul für höhere Spannung ebenso geeignet ist.
Die Montageplatte über den Transformatoren bietet viel Platz für weitere Module. Auf dem Bild zu sehen sind Abstandsbolzen für zwei Hilfsversorgungsmodule und ein paar Befestigungspunkte für Leitungen. Beim Anschluss der Hilfsversorgungsmodule fiel mir auf, dass ich die Leitungen besser durch ein Loch verlege und das fügte ich später hinzu. Insgesamt habe ich den ganzen Aufbau sehr oft auseinander genommen und anders wieder zusammengesetzt denn der ursprüngliche Plan sah anders aus und war bedingt durch die sehr hohen Leistungstransformatoren nicht umsetzbar, weshalb ich viel improvisieren musste. Hier machte sich die hohe Flexibilität des Systems bemerkbar.
Das FR-4 Material lässt sich auch mit einfachen Mitteln im Wohnzimmer gut bearbeiten. Das Loch für die Durchführung der Leitungen bohrte ich mit einer Handbohrmaschine und einem 14mm Holzbohrer. Zwar sind die Leistungstransformatoren ziemlich hoch aber dafür haben sie einen kleinen Durchmesser so dass ich den Raum innerhalb des Transformatormoduls gut für Leitungsverlegung nutzen kann.
Vor der Montage der Frontplatte müssen die Versorgungsspannungsleitungen für die Verstärkermodule angeschlossen werden da die Klemmen später nicht mehr zugänglich sind. Überhaupt ist alles so eng, dass vieles nach Montage weiterer Module kaum mehr zu erreichen ist. Nach Anschluss des Einschalters ist die Energieversorgung komplett.

AmplificationVerstärkung

Die an der Verstärkung beteiligten Module werden auf die Kühlkkörper des Gehäuses aufgebaut. Die Befestigung erfolgt mittels M3 Abstandsbolzen. Die Module von links nach rechts sind: Spannungsverstärkung, Treiberstufe und Ausgangsstufe. Verbleibende Schnittstellen von diesem Aufbau zum Rest des Verstärkers sind nur die Energieversorgung sowie Audio Eingangs- und Ausgngassignal. Durch den modularen Aufbau der Verstärkerschaltung kann eine Vielzahl an sehr unterschiedlichen Verstärkern realisiert werden mit nur minimalem Umbauaufwand. Die Ausgangsstufe würde ich allerdings immerzu auf dem Kühlkörper belassen da sie über die Leistungstransistoren relativ viel Anbindung an den Kühlkörper hat und nur die Spannungsverstärkungs- sowie die Treiberstufe durchtauschen. Hier auf dem Foto zu sehen sind die von Bob Cordell inspirierte Spannungsverstärkerstufe, die gefaltene Treiberstufe und die vierfach Bipolarausgangsstufe. Ich plane einen weiteren Verstärker aufzubauen mit vertikal MOSFET Ausgangsstufe.

ControlSteuerung

Die Lautsprecher­schutzschaltung wird über der Transformator­steuerung montiert und mit dieser verbunden. Die Transformator­steuerung versorgt die Lautspecher­schutzschaltung und kommuniziert den Ausfall der Netzspannung an die Schutzschaltung. Das Verstärkermodul liegt nun neben der Grundplatte und ist mit der Spannungsversorgung sowie der Lautsprecher­schutzschaltung verbunden.

Electronics CompleteFertigstellung Elektronik

Über der Lautsprecher­schutzschaltung wird das Audioeingangsmodul montiert. Hier zu sehen ist das sehr einfach gehaltene Audiosignal­transformator Modul, welches mittels einer kurzen coaxialen Leitung an das Verstärkermodul angeschlossen ist. Dieser Aufbau zeigt nun prinzipiell einen komplett fertig montierten Kanal des Audioverstärkers. Es fehlt noch die Rückplatte, welche mit jedem Stecker der drei übereinander gestapelten Module in der Mitte verschraubt werden müsste und der Übersichtlichkeit halber noch nicht montiert ist.