Re: Endstufentuning
Pufferelkos.
Ich habs diesmal versucht eingängig zu halten und alles zu erklären und einfach darzustellen. Also, auch wenns kurz unklar scheint, einfach weiterlesen.
(Edit: Mein Fazit findet sich ganz unten)
(Noch ein Edit: Ab der Hälfte ungefähr gehts um Sinuskurven und clipping, da sieht man sehr schön was Sache ist ohne Fachwissen mitbringen zu müssen. Ich habs mal zitiert.)
Folgende Situation stellt sich für die Elkos, wie in den zwei Beiträgen vorher beschrieben:
Bis auf kleine Unterbrechungen hängen sie an einer Spannungsquelle mit einem Innenwiderstand die immer Spannung liefert, außer in sehr kurzen Schaltmomenten. Die sind aber immer nur ungefähr drei oder vier µs lang, deswegen lasse ich die Unterbrechungen mal unter den Tisch fallen. Der Einfachheit halber habe ich nur die positive Schiene des Netzteils nachgebaut, der "Lautsprecher" zieht aber auch nur positive Ströme. Auf der negativen Seite schauts halt ungefähr genau so aus.
[attachment=4:1k7f6vi7]Elko-Schaltung.png[/attachment:1k7f6vi7]
Diese Grundschaltung wird wohl fast jeder erkennen, das ist offensichtlich ein Tiefpass erster Ordnung. das Beiwerk darf man ignorieren.
Das sind nur die Anweisungen für die AC-Analyse die gleich kommt. Soll ja transparent bleiben für Leute die sich mit Spice auskennen...auch um eventuelle Fehler aufzudecken. Im großen und ganzen steht da nur dass der Lautsprecher eine Last sein soll die ihren Strom auf 1A, 2A, 4A und dann auf 80A einstellen soll. Für jeden Stromwert soll eine eigene Berechnung durchgeführt werden.
Hier das Ergebnis:
[attachment=3:1k7f6vi7]Elko_Fg.png[/attachment:1k7f6vi7]
Grün ist der Strom aus dem Netzteil, blau der Strom aus den Elkos.
Nach rechts steigt die Frequenz des Stromes an.
Der Innenwiderstand des Netzteils bildet zusammen mit den Elkos, wie gesagt, einen Tiefpassfilter, und das natürlich unabhängig vom Betrag des fliesenden Stromes.
Bei Frequenz 0, also Gleichstrom, ist der Strom aus den Elkos ebenfalls null, ist ja klar. Die Grenzfrequenz des Filters legt also hier erst mal fest wie sich der Wechselanteil(!) des Stromes zwischen den Elkos und dem Netzteil aufteilt. Der Gleichstromanteil muss sowieso voll aus dem Netzteil kommen, Elkos "speichern" nur.
Was passiert also hier wenn die Elkos größer werden? Der Wechselstrom bei einer bestimmten Frequenz den das Netzteil liefern muss wird immer geringer, und der Gleichstrom immer höher. Der Kreuzungspunkt der beiden Kurven wandert also immer weiter nach links.
Sprich, der Strom aus dem Netzteil wird immer glatter und der in den Elkos immer zappeliger.
Das stört das Netzteil aber an sich erst mal nicht, es ist ohnehin ungeregelt und eben im Prinzip nur eine Spannungsquelle mit einem Innenwiderstand. Und vielleicht ein wenig Induktivität aus dem Streufeld des Trafos, aber die wird durch die Elkos normal kompensiert, da brauchts nicht besonders viel Kapazität wenn der Trafo vernünftig koppelt.
Also, Elkos vergrößern zwecks AC-Stromaufteilung ist erst mal nicht wichtig. Solange eine gewisse Grundkapazität da ist die die kleine ignorierte Lücke auffüllen kann und die Streuinduktivität kompensiert, wozu (ohne jetzt nachgerechnet zu haben) nicht besonders viel nötig ist, ist es egal wie viel Kapazität dran hängt.
Ab hier Transientenanalyse, mit Sinuskurven
Die AC-Aufteilung ist natürlich nicht alles, wer die Schaltung oben ansieht und ein wenig Kopfrechnet sieht schnell dass aus dem Netzteil nicht mal in einen Kurzschluss 80A rauskommen können (Ikurz=30V/0.4Ohm=75A)....und schon gar nicht in einen 4 Ohm-Lastwiderstand (Imax=30V/4.4Ohm=6.8A). Das ist halt der Nachteil an der AC-Analyse, solche Sachen sieht man da nicht. Also muss es mit einer Analysemethode weitergehen die einem hilft diese Grenzen zu sehen.
Der Strom durch den Lautsprecher erzeugt einen Spannungsfall über dem Innenwiderstand des Netzteils. Der Innenwiderstand des Netzteiles gibt also zusammen mit dem Lautsprecher einen gewissen Maximalstrom vor der höchstens rauskommen kann, hier 6.8A (siehe oben).
Bis so ungefähr 6A würde es also auch komplett ohne Elkos gehen. Das Netzteil hat genug Power.
Hier der Stromverlauf durch den Lautsprecher bei verschiedenen Elkos, 1nF (0 ist nicht zugelassen), einmal 1000µ und einmal 10.000µ bei 6A Lautsprecher-Spitzenstrom.
[attachment=2:1k7f6vi7]6A.png[/attachment:1k7f6vi7]
Wie man sieht sieht man nix. Die Kurven liegen alle aufeinander, welcher und ob ein Elko benutzt wird ist egal.
So, die Unterschiede beginnen wenn das Netzteil zu spannungsweich ist (=zu hoher Innenwiderstand) um genug Strom zu liefern.
Also, im Leerlauf liefert es 30V, das ist der Wert auf den die Elkos geladen werden. Erst wenn jetzt der Strom so hoch wird dass das Netzteil alleine einbrechen würde und die Endstufe anfangen würde zu clippen kommen die Elkos ins Spiel.
Hier mal mit 7A Spitzenstrom, also Clipping. Ich habe das obere Bild gleich groß auf die clippenden Spitzen des Sinus gezoomt, sonst würde man gar nix nix sehen. Also, die grüne Kurve ist "ohne" Kondensator, die blaue Kurve mit 1000µ und die rote mit 10.000µ.
[attachment=1:1k7f6vi7]7A.png[/attachment:1k7f6vi7]
Ich glaube dazu muss ich nichts schreiben.
Was allerdings mit größeren Elkos passiert, aber hier nicht sichtbar wird (jetzt nochmal die obere Kurve von der AC-Analyse ins Gedächtnis rufen):
Mit steigender Frequenz, also sinkender AC-Belastung des Netzteils wird die Clippinggrenze in der Tat ein klein wenig nach oben verschoben. Das klappt genau ab dann wenn in den Elkos genug Energie steckt um die Spitze des Sinuses der wiedergegeben werden soll gerade noch auszufüllen. Die Energie in den Elkos ist im letzten Schaubild die Fläche zwischen der roten Kurve und der grünen/blauen.
Wenn die Frequenz steigt sinkt die Fläche des auszufüllenden Sinus-Spitzchens automatisch mit.
Hier mal bei 10kHz und wieder 7A (selbe Skalierung der Stromachse wie zuvor):
[attachment=0:1k7f6vi7]7A_10kHz.png[/attachment:1k7f6vi7]
Grün kein Elko, blau 1000µ, rot 10.000µ
Das sieht zwar jetzt erst mal nett aus, aber sehr viel Luft bleibt trotzdem nicht...die Betriebsspannung Endstufe und der Innenwiderstand des Netzteiles bestimmen letztlich was rauskommt...das bisschen was hier aus den 10.000µ (!) Elkokapazität pro Rail kommt ist fast gar nix. Noch dazu habe ich 4 Ohm ohmschen Widerstand als Last genommen, bei 10kHz ist die Impedanz aber normal eh schon höher so dass hier die reine Railspannung limitiert, und nicht die Stromlieferfähigkeit.
Ein anderer Gedanke:
Reduziert man den Innenwiderstand des Netzteils auf 0.2 Ohm kann man sich schon viele viele Elkos sparen
So viel dazu. Ich würde mich freuen wenn jemand das ganze mal aufmerksam durchlesen würde ob sich ein Fehler eingeschlichen hat, gerne dann auch per PN oder hier.
Edit: Das Fazit fehlt noch:
Eine gewisse Grundkapazität ist wichtig und unbedingt nötig um die Lücken in der Spannung zu überbrücken und den Strom aus dem Trafo zu glätten (wieder was anderes, da wirds kompliziert), aber es hat keinen Sinn die Elkos endlos aufzustocken, es sei denn das Netzteil ist zu schlecht für die angeschlossene Impedanz. Dann bringts aber auch nicht besonders viel, höchstens kurzfristig bei hoher Frequenz.
Nach ein wenig hin und herrechnen würde ich sagen dass die 4000µ pro Rail die serienmäßig in dem Amp verbaut sind schon reichen werden. Der Innenwiderstand vom Netzteil muss halt drastisch sinken, für den 2Ohm-Betrieb.
Mal sehen, wenns preislich nicht viel ausmacht nehm ich die nächstgrößeren, neue müssen eh rein wegen der Spannungsfestigkeit. Mal sehen was es da gibt, in der Größe und mit dem Raster.
Grüße, Tobi
