PA2 - Power Amp mit Lateral MOSFETs

Hallo Forum,

ich möchte Euch hier mein aktuelles Elektronikprojekt vorstellen. Es handelt sich um eine kleine, schnelle Endstufe mit sehr guten Verzerrungswerten die mit Lateral-MOSFETs in der Endstufe arbeitet.

Wie es dazu kam:
Im Sommer 2015 habe ich von Birger ( diy-audio-shop ) einen Platinensatz seiner damals neuen „Nova“ Enstufe bekommen. Je mehr ich mich damit beschäftigte, desto interessanter fand ich das Konzept. Die Simulationen sahen sehr vielversprechend aus. Insgesamt eine kleine, schnelle Endstufe mit sehr guten Verzerrungswerten. Die Schaltung nimmt starke anleihen an die VSSA (Very Simple Symmetrical Amplifier )aus dem englischsprachigen Schwesterforum.
Ich entschloss mich dazu, noch einige Schutz-Mechanismen hinzuzufügen. Als da wären eine Vorspannungsbegrenzung für die FETs, Schutzdioden für die Gates (damit im Falle das einer der FETs durchgeht der andere nicht auch geschossen wird) und ein paar catching Dioden an den Ausgängen. Außerdem schaltete ich ein weiteres Paar Endtransistoren parallel um die Endstufe noch Laststabiler zu machen.

Hier sieht man den Frequenzgang dargestellt mit LT-Spice:



Leistung:
o2 x 130 Wrms / 4 Ohm
o2 x 65 Wrms / 8 Ohm

Gain: ca. 27 dB -> etwa Faktor 22

Einen alten Ringkern-Trafo mit passenden Spannungen hatte ich noch „auf Lager“ und somit machte ich mich dann ans Layout der Boards.
Danach machte ich mich an ein Design für den Trafo Soft-Start. Der Trafo hat Sekundärseitig 2x30V bei einer maximalen Leistung von 750W. Eine Einschaltstrombegrenzung ist also durchaus angebracht. Die Soft-Start Schaltung entspricht größtenteils dem Projekt 39 von Rod Elliott. Die Strombegrenzung habe ich dabei durch zwei in Reihe geschaltete 15 Ohm Hochlast-Widerstände realisiert. Außerdem liefert mir der kleine Printtrafo gleich noch die 12V-Versorgungsspannung für die Ansteuerung der beiden geplanten Vu-Meter.
Natürlich durfte auch eine Lautsprecher Schutzschaltung nicht fehlen. In meinem SymAsym hatte ich ja damals einen diskreten LS-DC-Schutz aufgebaut. Die Schaltung hätte ich ohne weiteres wieder verwenden können, tut sie doch schon seit Jahren völlig zufriedenstellend Ihren Dienst. Aber man will ja auch mal neues Ausprobieren. Also bestellte ich mir in der Bucht ein paar NEC uPC1237 Bausteine. Diese „überwachen“ das Musiksignal auf anliegende Offset Spannungen, bzw. DC-Anteile. Man kann über einen Jumper wählen ob die Schutzschaltung die Lautsprecher nach einem Fehlerfall automatisch wieder freigibt, oder ob man die Anlage neu starten muss. Desweiteren findet auch eine Überwachung der Sekundären Wechselspannung statt. Wird der Verstärker abgeschaltet, merkt die Schaltung das sofort an der fallenden Wechselspannung und trennt sofort die Lautsprecher. Damit wird ein „Ausschalt-Plopp“ effektiv verhindert. Ebenso werden die Lautsprecher natürlich Zeitverzögert eingeschaltet. Das funktioniert alles richtig gut – deshalb gibt´s von mir auch ne dicke Empfehlung für die Bausteine!

Hier sieht man die Boards unbestückt:



Als letztes machte ich mich an das Design des Netzteils. Im Prinzip ist die Nova da sehr gutmütig und braucht aufgrund der guten PSRR eigentlich kein Aufwändiges Netzteil. (PSRR - Amplitudengang der Ausgangsspannung - jeweils pos, oder neg. Um 100Hz sind es ~60dB, bei 1kHz ca. 80dB, darüber wieder leicht sinkend.) Aber wenn man schon alles selber macht und der finanzielle Aufwand nicht die höchste Priorität genießt, dann kann man ja auch ein bisschen mehr Aufwand treiben.

Die Gleichrichter bestehen aus Fast Recovery Dioden mit parallelen Snubber-Gliedern. Ich entschied mich für eine CLC Siebung. Die Kapazität der ersten Elkos sollte dabei nicht zu groß sein um die Stromspitzen beim Nachladen im Rahmen zu halten. Außerdem habe ich einen kleinen seriellen Widerstand hinzugefügt weil ansonsten die Ripplestrombelastbarkeit überschritten werden könnte. Den niedrigen ESR für die HF-Abblockung machen dann kleine Kerkos. Es folgt eine Glockenkernspule. Die Kurvenformen sind damit im Vergleich zu einer CRC-Siebung breiter und runder (niedrigere Störfrequenz und weniger Oberwellen). Desweiteren peaken die Ströme durch die Trafos weniger. Im Anschluss folgen dann einige Parallelgeschaltete große Elkos mit je 22mF. Auch diesen habe ich noch kleine keramische Caps mit je 100nF spendiert um den ESR gering zu halten.
Da ich auf den Verstärkerboards selber auch noch ein paar dicke Caps vorgesehen hatte sollte ich mir um die Betriebsspannung keine Sorgen mehr machen müssen.

Die Boards bestückt auf der Werkbank:







Die Mosfets habe ich von unten auf die Platine gelötet und isoliert auf die Kühlkörper geschraubt. Bei meinem ersten Aufbau vom Typ „Holzbrett“ habe ich Kühlkörper mit einem Wärmewiderstand von 0,9°K/W verwendet. Die Verlustleistung der Amps ist aber gar nicht mal sooo gering – ca. 25W pro Kanal. Damit wurden die Kühlkörper schon ziemlich heiß und ließen sich gerade noch so anfassen...
So spielte die Endstufe über ein halbes Jahr offen in meinem Wohnzimmer – und das zu meiner vollsten Zufriedenheit. Der Verstärker tut was er soll, und das sehr souverän. Die Spannungsverstärkung ist im Vergleich zum SymAsym etwas geringer. (Gain: ca. 27 dB -> etwa Faktor 22) Eine Klangbeschreibung spare ich mir an dieser Stelle.

Testaufbau:





Da der Markt an bezahlbaren Gehäusen immer noch zu wünschen übrig lässt habe ich mich wieder für ein Gehäuse der Italiener entschieden. Preis / Leistung stehen hier einfach in einem guten Verhältnis. Um den Verstärker dennoch zu etwas besonderem zu machen habe ich einige Modifikationen am Gehäuse vorgenommen. So habe ich das gesamte Gehäuse um 30mm je Seite eingekürzt. Diese 30mm werden nun von den Rippen der Kühlkörper sowie von massivholz Seitenteilen aus Eiche aufgefüllt um wieder auf die 435mm Breite bzw. das gängige Hifi-Maß zu kommen.
Um die Kühlkörper zu montieren habe ich die originalen Aluminiumprofile zersägt und beide Teile mit 5mm Aluminium Flachmaterial verschraubt. Alles in allem eine durchaus stabile Konstruktion...



Als „eyecatcher“ habe ich in der Front ein paar Vu-Meter versenkt und unter einer gemeinsamen Acrylplatte montiert. Im ausgeschalteten Zustand sind die Anzeigen nur zu erahnen, während sie im eingeschalteten Zustand das Erscheinungsbild dominieren.







Ich steuere die Vu-Meter mit dem Hochpegelsignal an, und das funktioniert tadellos. Die Aussteuerung habe ich mit einem Festwiederstand am Ausgang der Endstufe eingestellt. Klappt gut, so dass die Anzeige je nach Pegel immer weiter aussteuert und auch bei sehr hohen Pegeln noch nicht im rechtsanschlag „klebt“...
Unter den Anzeigen findet sich noch ein Kippschalter mit dem sich die Endstufe Ein- / Ausschalten lässt. Hier habe ich ein Langloch in die Front gefräst und dem Kippschalter eine kleine Haube aus Sandgestrahltem Aluminium spendiert. Macht sich gut wie ich finde. Falls sowas mal jemand nachbauen möchte: Man sollte darauf achten, dass der entsprechende Gewindeschneider für das Gewinde des Schalters auch vorhanden ist. Dann kann man der Schalter einschrauben und an der richtigen Position mit der Kontermutter fixieren.







Auf der Rückseite finden sich außen die Cinch-Buchsen, die ich direkt auf den Verstärker Boards montiert habe. Daneben ist dann jeweils der Lautsprecher Ausgang für den jeweiligen Kanal zu finden. Die Buchsen sind von Dynavox und für den Preis wirklich wertig verarbeitet. In der Mitte findet sich dann der Netzanschluss mit eingebauter Sicherung.
Die Gerätefüße sind wie bei den vorangegangen Projekten relativ schlicht gehalten. Massives Aluminium mit Gummi-Inlays. Bewährt und gut. Auch die Proportionen stimmen wie ich finde.





Und so sieht´s dann fertig aus:
































Tja, viel mehr gibt´s auch nicht zu sagen zu dem Gerät. Seine „Feuertaufe“ hat der Amp im September bereits hinter sich gebracht, als ich ihn beim DIY-Hörtest in Bergkamen vorstellen durfte. Den Anwesenden hat´s soweit ich das beurteilen darf glaube ich durchweg gefallen.








An dieser Stelle möchte ich mich nochmals recht herzlich bei einigen Leuten bedanken:

Als erstes mal bei Birger, der mich mit seiner Nova erst auf die Idee gebracht hat, Danke für deine Arbeit – weiter so!

Dann möchte ich mich natürlich noch bei Christoph aka ESELman aka Calvin bedanken. Für die Simus, die Erklärungen und die Unterstützung während der gesamten Bauzeit. Wie immer warst du mir eine riesen Hilfe – Danke!

Als letztes möchte ich mich noch bei meinem Cousin Basti bedanken, der mir mal wieder mit einem schönen Stück Eiche ausgeholfen hat!


Beste Grüße,
Köter

Hi,

ja, das macht sie.
Fliesst in der Eingangsstufe ein höherer Strom, dann auch in der VAS/Treiberstufe (Q3/Q4).
Die MOSFET Ausgamgstöpfe jedoch sind rein spannungsgesteuert.
Unabhängig vom Treiberstrom bleibt die Spannung über dem VR1 TLV431 konstant und damit auch der Ruhestrom der MOSFETs ..... abgesehen von Temperatur- und dynamisch bedingten Schwankungen.
Strom ziehen die Gates der MOSFETS immer nur kurzfristig um ihre Eingangskapazität umzuladen.
Im eingeschwungenen und Ruhezustand fliesst kein Gatestrom

DerESELman