GIMOS50 – robuster Gitarrenverstärker mit Mosfets

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Captain-Chaos
Hat sich gelöscht

#1 erstellt: 24. Jan 2011, 20:02

Als nächstes Projekt schwebt mir ein Gitarrenverstärker in Transistortechnik vor. Zunächst einmal die Endstufe. Folgende Punkte sollten dabei berücksichtigt werden: Sie sollte

-äußerst robust sein

-eine Dauerleistung von ca. 50Watt bringen

-soft clippen

Zunächst einmal hatte ich in meinem Fundus einen weiteren Ringkerntrafo

Primär 230V sekundär 2 x 30V und 120Watt Leistung

Das scheint mir genau der richtige Kollege für dieses Vorhaben zu sein. Da ein Gitarrenverstärker in der Regel mehr geprügelt wird als ein HIFI-Gerät, lohnt es sich einige Reserven zu haben. Außerdem darf der Verstärker bei Überlast nicht einfach ausgehen, das wäre bei einem Gig fatal. Überlastsicherungen müssen also äußerst träge reagieren, den Rest muss der Verstärker aushalten können. Aus meinem letzten Projekt sind noch einige Reservetransistoren übrig. Darunter die guten IRFP240 und IRFP9240, die ich für den Gitarrenverstärker verwenden möchte. Damit der Amp ordentlich Druck machen kann, sind pro Versorgungsspannung jeweils zwei Mosfets vorgesehen. Die sind nicht zu teuer und zwei Stück bringen locker 10A.

Die Schaltungsvariante an sich ist nichts Besonderes. Zweistufiger Spannungsverstärker in symmetrischer Anordnung. Nur die Dimensionierung ist etwas ungewöhnlich. Bei diesem Verstärker ist Leerlaufverstärkung gleich der Gesamtverstärkung. Die Gegenkopplungen greifen nur Lokal. R1 koppelt nur Gleichspannung an den invertierenden Eingang gegen. Mit Q8 wird ein Ruhestrom von ca. 50mA pro Mosfet eingestellt, so dass die Endstufe in Class-AB läuft.
Den Hauptteil der Spannungsverstärkung übernehmen die Mosfets IRF510 und IRF9510 und sorgen mit ihren mosfet-typischen Übersteuerungsverhalten für ein softes clippen. Da eine wechselspannungsmäßige Überallesgegenkopplung fehlt, ist der Dämpfungsfaktor entsprechend niedrig. All das erzeugt Verzerrungen, die einen Gitarrenverstärker angenehm klingen lassen... zumindest für einen großen Teil der Mucker.
Das ist der Schaltplan:

Und so geht der Amp in die Übersteuerung:

[Beitrag von Captain-Chaos am 25. Jan 2011, 07:30 bearbeitet]

Kay*
Inventar

#2 erstellt: 24. Jan 2011, 22:17

sieht ja fast aus wie der:

Captain-Chaos
Hat sich gelöscht

#3 erstellt: 25. Jan 2011, 07:29

Aber eben auch nur fast.

Kay*
Inventar

#4 erstellt: 25. Jan 2011, 15:06

Captain-Chaos schrieb:

Aber eben auch nur fast.

:P

und,
kann man von Sony etwas lernen?

z.B. die Vorteile unterschiedlicher Betriebsspannungen

http://sound.westhost.com/articles/hexfet.htm
interessant?

hinsichtlich Betriebsicherheit auch bedenkenswert:

http://sound.westhost.com/articles/soft-clip.htm

[Beitrag von Kay* am 25. Jan 2011, 15:58 bearbeitet]

Captain-Chaos
Hat sich gelöscht

#5 erstellt: 25. Jan 2011, 16:08

und,
kann man von Sony etwas lernen?
z.B. die Vorteile unterschiedlicher Betriebsspannungen

Sicherlich kann man von Sony eine Menge lernen, aber nicht mit dem gezeigten Schaltbild. Das ist HIFI und ich will PA, und speziell für Gitarre, das ist eine ganz andere Hose.

http://sound.westhost.com/articles/hexfet.htm
interessant?

Schon, nur wollen sie dort Verzerrungen weitestgehend vermeiden und ich ich will sie haben. Wie die Überschrift schon sagt:

Using HEXFETs in High Fidelity Audio

Zur Zeit beschäftigt mich die Anpassung an verschiedene Impedanzen. Bei Röhrenverstärker kann man das auf der Rückseite einstellen, das finde ich sehr gut. Bei meinem Entwurf wird das nicht berücksichtigt, so dass mit 4ohm viel höhere Leistungen erreichbar sind und bei Dauerbetrieb eine Überlastung entstehen kann.
Also experimentiere ich gerade mit einer automatischen Überstromschutzschaltung.

Klassiker und tausendfach bewährt. Die Leuchtdiode und der Widerstand erzeugen das gewünschte sanfte Begrenzen des Signals. Jetzt ist es an der Zeit die Schaltung aufzubauen.

Ultraschall
Inventar

#6 erstellt: 25. Jan 2011, 16:33

Sorry, so wie eingestellt funktioniert der aber nicht richtig bzw. besonders.
Frage mich wie die Übersteuerungskurve entstanden ist?

Um R1 C3 fehlt wohl ein Widerstand- der die Verstärkung festlegt- es sei den er soll ohne über-alles-GK arbeiten???

Die einzelnen Stufen sind ja in sich relativ stark gegengekoppelt.
Nunja, das würde dann eben einen ganz spezifischen Sound geben.

Grüße

[Beitrag von Ultraschall am 25. Jan 2011, 16:35 bearbeitet]

Captain-Chaos
Hat sich gelöscht

#7 erstellt: 25. Jan 2011, 17:09

Sorry, so wie eingestellt funktioniert der aber nicht richtig bzw. besonders.
Frage mich wie die Übersteuerungskurve entstanden ist?

Die Kurve ist mit dem Simulationsprogramm LT-Spice entstanden. Du kannst sie leicht selbst reproduzieren.

Um R1 C3 fehlt wohl ein Widerstand- der die Verstärkung festlegt- es sei den er soll ohne über-alles-GK arbeiten???

Wie ich oben beschrieben habe:

...Bei diesem Verstärker ist Leerlaufverstärkung gleich der Gesamtverstärkung. Die Gegenkopplungen greifen nur Lokal. R1 koppelt nur Gleichspannung an den invertierenden Eingang gegen...

R1 und C3 bilden einen Tiefpass.

Ultraschall
Inventar

#8 erstellt: 25. Jan 2011, 19:12

Okay, das letzte hatte ich überlesen. Nur lokal gegengekoppelt ist also Absicht. Wenn's gefällt und mit der Gitarre zusammen gut klingt, ist es in Ordnung.

Kay*
Inventar

#9 erstellt: 25. Jan 2011, 20:38

meine Postings zielten nicht auf den Klirr, sondern auf die Betriebssicherheit

Captain-Chaos
Hat sich gelöscht

#10 erstellt: 25. Jan 2011, 21:34

meine Postings zielten nicht auf den Klirr, sondern auf die Betriebssicherheit

Sorry Kai, da war ich wohl zu flüchtig, hab ich jetzt auch gesehen

Die Seiten von Elliott kenne und schätze ich auch.

Captain-Chaos
Hat sich gelöscht

#11 erstellt: 26. Jan 2011, 20:01

Die Überstromschutzschaltung funktioniert mit LT-Spice schon ganz gut. Ich muss nur noch eine Dimensionierung hin bekommen, die bei etwa ab 50Watt begrenzt.
Nur jetzt habe ich das Problem, dass nur bei 8ohm die Mosfets in Begrenzung gehen. Bei 4ohm und 2ohm begrenzen die Dioden der Schutzschaltung.
Ich werde wohl doch eine ganz geringe Überallesgegenkopplung verwenden und die Endstufe mit Z-Dioden über den Gegenkopplungswiderstand begrenzen. Somit ist es wenigstens einheitlich.

Kay*
Inventar

#12 erstellt: 26. Jan 2011, 20:05

die Endstufe mit Z-Dioden über den Gegenkopplungswiderstand begrenzen. Somit ist es wenigstens einheitlich.

wieder etwas flüchtig ?
siehe oben, Dioden VOR dem Amp!
(sollte man am Eingang in zweifelhafter Umgebung eh in irgendeiner Form haben

)

ESP hat, neben Projekten, auch interessante Artikel (auch! zum Übersteuerungsverhalten von Endstufen?

[Beitrag von Kay* am 26. Jan 2011, 20:06 bearbeitet]

Captain-Chaos
Hat sich gelöscht

#13 erstellt: 26. Jan 2011, 20:38

Du wirst es vielleicht nicht glauben, aber bei meinen Experimenten mit Diodenbegrenzern für Gitarre macht es klanglich durchaus einen Unterschied ob ich vor dem Verstärker begrenze oder in der Gegenkopplung. Beide Verfahren werden in Gitarrenvorstufen und Verzerrern benutzt.

Und den Eingang werden ich natürlich auch noch mit Dioden absichern

Kay*
Inventar

#14 erstellt: 26. Jan 2011, 22:46

doch, glaube ich

es gibt verschiedene Wege zum Soft-Clipping,
z.B.
alá NAD (abhängig von den Betriebsspannungen)
oder auch wie bei den DPA-Amps von Frantisec
(im Spannungsverstärker)

Captain-Chaos
Hat sich gelöscht

#15 erstellt: 27. Jan 2011, 20:43

Nachdem ich mit LT-Spice einige Varianten simuliert habe, hat sich die Schaltung etwas verändert. Die Endstufe besitzt jetzt eine sehr geringe Überallesgegenkopplung. Dadurch, dass ich mit Z-Dioden die maximale Ausgangsspannung begrenze entfällt die Notwendigkeit von Mosfets im Spannungsverstärker.
Dafür habe ich jetzt für die Ruhestromeinstellung einen Mosfet vorgesehen. Der IFR510 sorgt für die Vorspannung der Ausgangsmosfets. Bei einer gemeinsamen Montage auf einen Kühlkörper erhoffe ich mir eine bessere Kompensation der Ruhestromeinstellung als mit einem bipoaren Typen. Borbely benutzt ebenfalls einen Mosfet zur Ruhestromeinstellung in seinen Endstufen und ich will das nun auch mal testen.
Dadurch, dass die open-loop-Verstärkung sehr gering ist, bedarf es keiner großen Frequenzkompensation, auch das Layout wird unkritischer. Die Spule am Ausgang, die bei stark gegengekoppelten Endstufen nötig ist, entfällt praktischer Weise ebenfalls. Gimos50 treibt mühelos 1µF parallel zu 8ohm, ohne dass es zur Schwingungsneigung kommt.
Das FFT von LT bescheinigt ein schönes abfallendes Klirrspektrum.

Die Schaltung sieht aktuell so aus:

Captain-Chaos
Hat sich gelöscht

#16 erstellt: 01. Feb 2011, 20:19

Das Layout habe ich soweit fertig. Es passt genau auf eine Euro-Platine.
Die Schaltung habe ich nochmal an einigen Punkten überarbeitet und werde nun den Prototypen bauen.
Alles einseitig und mit schönen Masseflächen, das schont u.a. die Chemiekalien

Für die Vorstufe habe ich auch schon eine Idee. Ich habe mal vor geraumer Zeit eine klanglich viel versprechende Vorstufe mit Jfets aufgebaut und festgestellt, dass sich nur sehr wenige Jfets für einen hoch verstärkenden Gitarrenverstärker eignen.
Der 2SK170 hat sich als brauchbar erwiesen.

Captain-Chaos
Hat sich gelöscht

#17 erstellt: 07. Feb 2011, 01:06

Moin allerseits

Der erste Aufbau ist fertig

Lief alles problemlos soweit. Bis jetzt habe ich zum Testen erst mal Musik über Gimos50 laufen lassen. Nichts raucht oder wird heiß. Morgen werde ich ihn ein wenig quälen und das Übersteuerungsverhalten und die Kurzschlussfestigkeit testen.

Erst mal der Aufbau auf der Platine:

Ich bin schon gespannt, wie er sich über Gitarre anhört.

Captain-Chaos
Hat sich gelöscht

#18 erstellt: 08. Feb 2011, 04:23

Gimos50 wurde heute Nachmittag ordentlich getreten

und er hat es problemlos überlebt, was mich einigermaßen glücklich stimmt. Bisher habe ich noch nie eine Endstufe bei vollem Pegel mutwillig kurzgeschlossen.

Das knallt nicht schlecht Herr Specht

Hätte ich ihn in den Transistorenhimmel geschickt, so müsste ich neue Mosfets bestellen, weil meine letzten auf der Platine sitzen.

Das Ziel ist fast erreicht. So sieht ein Dreieck 1kHz in der Begrenzung an 8ohm aus:

So an 4ohm:

Und so sieht ein 10kHz/12VSS Rechteck an 8ohm mit 1uF parallel aus:

Das sieht sehr gut aus, vor allem wenn man überlegt, dass die Schaltung keinerlei Frequenzkompensationen hat. Lediglich der Filter im Eingang begrenzt die Bandbreite auf ca.45kHz.

25VSS an 8ohm ist leider noch nicht genug für 50Watt. Ich werde die Kurzschlusssicherung etwas anpassen, aber dann steht einem Test im Übungsraum nichts mehr im Weg.

Kay*
Inventar

#19 erstellt: 08. Feb 2011, 15:06

Hätte ich ihn in den Transistorenhimmel geschickt

HexFet zerschlagen stückweise !

Interessehalber,
Wie hoch ist dein Ruhestrom?
Wie gross ist der Kühler?
Wie hoch ist die Temperatur des Kühlers?

Wie hoch ist dein Ruhestrom mit Kühler auf Zimmertemperatur,
also direkt nach dem Einschalten?

[Beitrag von Kay* am 08. Feb 2011, 15:13 bearbeitet]

Captain-Chaos
Hat sich gelöscht

#20 erstellt: 08. Feb 2011, 15:40

Hallo Kay,

der Ruhestrom liegt bei gerade mal 10mA pro Mosfet

Der Kühlkörper ist von

Fischer

Die Temperatur habe ich noch nicht gemessen, sie liegt bei schätzungsweise bei 50°C bei Belastung. Wenn ich vollen Pegel mit einen Rechteck belaste werden sie kaum wärmer, leider muss ich abbrechen, weil sonst meine Dummywiderstände zu heiß werden. Die sitzen ebenfalls auf einem Kühlkörper.

Direkt nach dem Einschalten sind es etwa 9mA.

KabaSoft
Neuling

#21 erstellt: 08. Jan 2021, 01:23

Moin, moin aus dem Norden,

ein Super-Projekt!

Frage:
- Kann ich den Aufbau nachnutzen so wie er ist?
- SInd die Dateien in KiCad evtl. verfügbar (ich habe KiCad Build 2013-07-07 BZR 4022 - stable
- Kann ich für das Netzteil +-15VDC ein Teil z.B. von Tube-Town nutzen mit Trafo und LM317 / 337?
- Wenn die Dateien nicht verfügbar sein sollten, kann ich dann ggf. geätzte Platinen käuflich erwerben?

Danke und liebe Grüße

Wolfgang aus Geesthacht