HiFi-Endstufe 2x60W Sinus selbstgebaut

Es ist immer wieder schön im Rahmen der Ausbildung ein Projekt von der Idee zur Realität umzusetzen. Gegeben ist hier ein Applikationsvorschlag zum Bau einer HiFi-Endstufe mit 2 x 60 Watt Sinus. Fast jeder denkt natürlich jetzt, was soll denn dieses Spielzeug? Lächerliche 120 Watt, das kann mein Verstärker auch! Doch weit gefehlt, es handelt sich hier um Sinus (Dauerton) Leistung. Dieser Verstärker kann auch 150Watt Boxen ins Jenseits befördern, denn die Boxenleistung wird meist in RMS angegeben und nicht in Sinus!

Also Vorsicht bitte!

Nun zur Idee auf dem Papier: Gegeben ist eine Komplementärendstufe mit den Transistoren BD249C = TIP3055 und BD250C = TIP2955. Preiswerte Bauteile und überall erhältlich. Es funktioniert fast jedes Endstufen PNP-NPN Pärchen in dieser Schaltung.

(Quellen für die Bauteile sind z.B.: http://www.reichelt.de)

Als erstes galt es nun, das Schaltbild in ein Layout umzuwandeln, denn man braucht schon eine Leiterplatte, um die Bauelemente ordentlich auflöten zu können. Es soll ja auch korrekt und sauber aussehen, vielleicht ist ja später eine Plexiglas Frontplatte angesagt, damit man in das Innere der Verstärkers blicken kann. Wer weiß? Nach 4 Stündchen Routing war es nun fertig, das Layout.

Die Leiterplatte ist relativ klein, Abmessungen kleiner als Euro-Format, also ist kompakte Bauweise möglich. Ausserdem ist sie einseitig geroutet = Kostenersparnis bei der Herstellung. Man kann natürlich die Schaltung auch auf eine Lochrasterleiterplatte aufbauen, das ist natürlich richtig, doch wir wählten die geätze bzw. gefräßte Varianten. Es gibt auch die Möglichkeit, die Leiterplatte bei einem Leiterplattenhersteller zu bestellen.Ist aber allerdings etwas kostenintensiver. Nach Fertigstellung der Endstufen-Leiterplatte sieht das ganze erst mal so aus.

Hier sieht man die zwei bestückten Hifi-Endstufen nebst Kühlkörper auf einer Montageplatte des 19 Zoll Einschubgehäuses montiert. Insgesamt werden es mehrere Teile dieses schönen Projektes Für eine kräftige Endstufe benötigt man aber auch ein leistungsfähiges Netzteil. Denn das ist mitentscheidend für den nötigen "Bass - Drum". Als Transformator wählen wir hier 2x18 Volt~ mit 6 Ampere Strom. Es handelt sich hier um ein Plus / Minus Netzteil, das die Endstufe speist. Das ist besonders für die Tiefenanpassung von Vorteil, denn der Verstärker benötigt somit keinen Ausgangselko.

Hier die Umsetzung in das Layout:

Die Gleichrichtung und Siebung der Wechselspannung erfolgt mit zwei Elektrolytkondensatoren a' 10000uF und einem 8 Ampere Brückengleichrichter. Platzsparend an der Seitenwand montiert, denn es kommen später noch Schaltungsteile, wie Schutz- und Verzögerung hinzu.

Und hier die Theorie physikalisch realisiert. Der Transformator ist schon ein ordentliches Teil, hier als platzsparende Ringkernbauform, die zudem noch streuarm und leichter ist, als der Trafo mit Eisenkern.

Die Gestaltung der Frontplatte macht meistens die größten Probleme. Nach dem Motto, welche Bedienelemente sollen drauf? Ein Netzschalter ist auf jeden Fall ein Muß, denn irgendwie muss man das Gerät ja einschalten können. Am besten natürlich bequem von vorn, und nicht wie manche es machen, auf die Rückwand. Aber was kann man sonst noch integrieren?

Ein beleuchtetes VU-Meter würde gut aussehen und vielleicht eine Anschlußmöglichkeit für einen Kopfhörer. Alles so Fragen, die man beim Bau einer Endstufe überlegen sollte.

Bei der Rückwand gibt es dagegen weniger Probleme, denn da schaut in den seltesten Fällen jemand hin. Aber praktisch und universell sollten die Anschlüsse schon sein! Stecker die schwierig anzuschließen sind, die sind immer ein Ärgernis, wenn es mal schnell gehen soll. Preiswert und gut sind Federklemmen, meist in rot / schwarzer Farbe, für die Lautsprecher und die Eingänge einfach Universal Cinch.

Ebenfalls ein wichtiges Augenmerk bei der Entwicklung ist die Kühlung der Endstufe. Daran sollte man in jedem Fall denken, denn es kommt auch schon mal vor, daß der Verstärker für eine Party oder Disco herhalten muß. Und da sollte er auf keinen Fall schlapp machen.

Nachdem wir nun alle Teile vorgefertigt haben, können wir sie schon mal grob zusammenstellen. So erhält man wenigstens schon mal einen Überblick, wie es in etwa werden wird.

Die finale Verdrahtung bedeutet nicht mehr so viel Aufwand. Das meiste ist bereits getan, denn die Herstellung und Bestückung der Leiterplatte nimmt die meiste Zeit in Anspruch. Das Endstufenpärchen ist natürlich selektiert, so wie es sich gehört. Das hatte ich vergessen zu erwähnen. Ein Lautstärkeregler kommt nicht in die Endstufe, denn es ist eine Vorstufe in Planung, und an der findet auch die Signalquellenumschaltung statt. Aber natürlich mit Rasterumschaltung, auf jeden Fall.

Ein paar Raffinessen sollten dennoch nicht fehlen. Was zum Beispiel, wenn die Endstufe irgendwann einen Fehler aufweisst? Sei es durch einen Kurzschluß, weil der User die Lautsprecherausgänge kurzgeschlossen hat, oder sei es wegen einem Überspannungsproblem verursacht durch ein Gewitter. In diesem Fall wären nicht nur der Verstärker sondern auch die teuren Lautsprecher hin! Sowas wollen wir doch nicht zulassen, oder? Deswegen baut man einfach zusätzlich eine Schutzschaltung in die Endstufe ein. Sie hat direkt zwei Vorteile: 1. Sie unterdrückt den Einschaltknacks und 2. Sie verhindert das Sterben der Boxen im Falle einer Offset (DC) Spannung.

Und hier wieder die Umsetzung in ein Layout. Man braucht natürlich eine Leiterplatte um die Bauteile zu bestücken.

Aufgebaut sehen sie so aus:

Wir benötigen natürlich zwei Stück, für den rechten und den linken Kanal. Es ist auch möglich, die Schaltung auf einer Leiterplatte zu fertigen, doch in diesem Fall haben wir uns wegen der besseren Übersprechdämpfung für zwei entschieden. Nach einigen Überlegungen fiel uns auf, daß ein kleines Zusatznetzteil eigentlich nicht schlecht wäre. Mit diesem wäre nämlich eine Beleuchtung der VU-Meter kein Problem mehr, denn das Zusatznetzteil können wir dimensionieren, wie wir wollen. Da 12 Volt Lämpchen (blau) hinter den VU-Metern angebracht sind, ist es natürlich auch von Vorteil ein Doppelnetzteil 2 x 12 Volt zu bauen. Ein weitere Überlegung kommt hinzu. Was z.B. wenn wir später einen Kopfhörerverstärker Ausgang nachrüsten wollen? Man weiß ja nie? Also für all die noch kommenden Zusatzoptionen hier das Zusatznetzteil.

Also für all die noch kommenden Zusatzoptionen hier das Schaltbild des Zusatznetzteils. Es ist eine einfache Schaltung mit einem kleinen Trafo (2x12V~, 2VA) einem Brückengleichrichter mit Siebung (1000uF Elektrolytkondensator) und einem 12 Volt Regler IC (7812). In unserem Fall speisen wir damit den Lüfter zur Kühlung der Enstufentransistoren und mit der Wechselspannung des Trafos speisen wir die VU-Meter Lämpchen. Wenn man für das Hilfsnetzteil keine extra Leiterplatte herstellen möchte, kann man es auch leicht auf Lochraster Leiterplatte aufbauen.

Nun weiter mit der Stereo Hi-Fi Endstufe. Bald ist es soweit und wir können sie in Betrieb nehmen. Doch vorher ist erst mal Verdrahtung angesagt. Die beiden Endstufen müssen an die Hauptstromversorgung (2 x 30V, 6Amp +/-Netzteil angschlossen werden. Hier ist peinlichst drauf zu achten, das man Plus nicht mit Minus vertauscht. Um solche unbeabsichtigten Fehler auszuklammern, nehmen wir natürlich verschiedenenfarbige isolierte Leitungen. Plus = rot, Masse = schwarz, minus = weiss.

Solche Festlegungen ersparen einem meist unangenhme Überraschungen. Denn eine Verpolung der Betriebspannung, sei die auch nur ganz kurz, bedeutet sehr oft die vollständige Zerstörung der Verstärker, nebst Netzteil ! Der Lüfter zur Kühlung wird an das Zusatznetzteil angeschlossen, ebenso später die Lämpchen für die VU-Meter. Die Schutz- und Verzögerungsschaltung wird vom Hauptnetzteil wechselspannungmässig versorgt (2 x 18V ~).

Hier mal die Gesamtansicht des verdrahteten Gerätes:

Auf Wunsch kommt noch detailiert die Funktionsweise einer Komplementärendstufe und natürlich Abgleich und Messung der Endstufe evtl. noch Fehlersuche, wenn etwas nicht so klappt, wie es soll. Nun kommen die letzten Schritte um unsere 2 x 60 Watt Sinus HiFi-Endstufe zum Leben zu erwecken. Inbetriebnahme und Abgleich des Verstärkers: Bei der ersten Inbetriebnahme eines elektronischen Gerätes, hat es sich immer als sinnvol erwiesen, einen Regeltrenntrafo zu benutzen. Liegt nämlich trotz sorgfältiger Kontrolle noch ein Verdrahtungsfehler vor, kann es leicht zu einer mittleren Katastrophe führen. Der Regeltrafo bietet die Möglichkeit, die Spannung stufenlos langsam zu erhöhen.

So kann man auch die Stromaufnahme des Verstärkers beobachten, denn steigt sie zu schnell an, ist etwas faul. In unserem Fall hier haben wir das natürlich genauso gemacht. Langsam die Spannung erhöhen, und dabei Messungen mit einem Multimeter durchführen. Wir hatten Glück! Alles war richtig verdrahtet, und konnten nun mit dem Abgleich der Endstufe beginnen. Wichtige Abgleichparameter sind die Einstellung des Ruhestromes und die Mittenspannung. Ist einer oder beide nicht in der Toleranz, so kommt es langsfristig beim Betrieb des Verstärkers zu einem Problem. Der Ruhestrom durch die Endstufe, damit ist die Stromaufnahme ohne Eingangssignal gemeint, sollte ca. 60 mA +/- 10% betragen. Liegt er wesentlich höher, wird die Endstufe zu heiss.

Bei der Mittenspannungseinstellung (ebensfalls ohne Eingangssignal) wird auf Null (0 V DC) am Lautsprecherausgang eingestellt. Das muss unbedingt erfolgen, denn sonst läuft der Lautsprecher Gefahr durch die eventuell anliegende Fehlergleichspannung, zerstört zu werden.

Nachdem nun der Mittenspannungs- und Ruhestromabgleich für beide Känale durchgeführt ist, können wir die Endstufe testen, ob sie auch das tut, was wir von ihr wollen. Nämlich verstärken! Dazu brauchen wir weiteres Equipment. Einen Sinusgenerator, der uns den 1kHz Dauerton erzeugt und ein Oszilloskop, mit dem wir die Signalform des Ein- und Ausgangssignals sehen können.

Desweiteren benötigen wir ein ohmsche Last zwischen 4 - 8 Ohm. Denn schliesschen wollen wir uns ja nicht die Trommelfälle unseres Gehörs verletzten, indem wir beispielsweise einen Lautsprecher anschliessen. Das würde sowieso kein Mensch aushalten. So ein Sinuston nervt ungemein. Wir müssen natürlich drauf achten, daß der Lastwiderstand (4-8 Ohm) auch entsprechend hoch belastbar ist. 100 Watt Leistung sollte er schon haben, und kühlen müssen wir ihn auch.

Und so arbeitet der Verstärker nun. Wir sehen, daß eine Eingangsspannung von ca. 4Vss eine Ausgangsspannung von etwa 50Vss erzeugt.

Nach der Formel Ueff = USpitze / 2 * Wurzel2 und P = Ueff^2 / R können wir die Leistung ermitteln.

Ueff = 50 / 2.82843 = 17,6776 Volt

P = 17,6776 ^2 / 4 Ohm = 78,125 Watt.

Bei beiden Kanälen wären das zusammen = 156,25 Watt.

Das kann sich sehen lassen. Die Endstufe bringt sogar noch mehr Leistung, als sie versprochen hat! Nach einer mehrwöchigen Pause von Alex präsentieren wir doch noch das komplette Gerät im Endstadium. Alex wollte die Frontplatte in schwarz und nicht wie im Februar gezeigt Aluminiumfarben. Wie sich herausstellte, war es nicht so einfach eine aluminiumeloxierte Frontplatte schwarz glänzend zu lackieren. Doch letzten Endes klappte es doch ganz gut, so wie man hier sehen kann.

Blau beleuchtete VU-Meter für die Ausgangsleistung des linken und rechten Kanals sind natürlich immer gerne gesehen.

So, jetzt kann es mit der Disco- oder Rockparty losgehen. Da muss die Endstufe zeigen, was sie drauf hat.