Beschrieben, erklärt und diskutiert werden (elektro)technische Aspekte der Spannungsversorgung auf dem Pedalboard. Zuerst gibt's Theorie und Probleme. Weiter mit Brummen, „Germaniumgerümpel mit Motorboating“ und Elektro-„Smog“. Es folgen Ideen – ein Ost-West-Schaltkreis, ein alter Trick von BOSS und sein Ende. Eine interessante Idee von „Thomann“ wird untersucht. Abschließend, nach dem Wort zum Sonntag, Buffer- und Kabelesoterik. … Noch einen Sprung in die moderne Zeit: Mehrfach-Schaltnetzteile.
- Induktion und Transformator
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Das Prinzip der elektromagnetischen Induktion insbesondere bei gekoppelten Spulen (um jeden stromdurchflossenen Leiter bildet sich ein Magnetfeld, dieses Magnetfeld lässt sich bündeln, indem man die Leiter zu einer Spule wickelt und: einer Änderung des Stromes und des Magnetfeldes folgend wird in jedem und auch in jedem anderen Leiter in der Nähe eine Spannung induziert), hat man sich schon früh bei Transformator zunutze gemacht.
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Gelegentlich werden in Effektgeräten auch sogenannte Spannungswandler eingesetzt, die z. B. 9 V in 18 V oder +9 V in −9 V umwandeln. Auch hier kann es passieren, dass der Takt dieser Spannungswandler in andere Geräte „wandert“ und auch hier ist dann der Einsatz jeweils eigener Netzteile oder eigener Stabilisierungsschaltungen zu empfehlen.
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Stromversorgung auf Pedalboards
Kapitelinhalt:[ Überspringen ]- Physikalisch-technische Hintergründe
- Probleme auf dem Pedalboard
- Lösungsversuch Spannungswandler
- Lösungsversuch – PSA- und ACA-Netzteile von BOSS
- Lösungsversuch – Harley Benton Powerplant Junior
- Ein vorläufiger Abschluss
- Nachtrag zu Puffern und Kabeln
- Mehrfach-Schaltnetzteile
In diesem Artikel sollen einige technische Zusammenhänge der Spannungsversorgung auf einem Pedalboard beleuchtet werden. Dazu ist es notwendig, zunächst einige theoretische Hintergründe zu nennen – auf die eingehende Erklärung dieser Hintergründe muss hier allerdings verzichtet werden, um den Artikel nicht zu lang werden zu lassen – es gibt im Übrigen genau dazu genug andere Lehrbücher, Hobbyseiten u. v. a. m. Im Nachtrag noch zwei Anmerkung zur Signalqualität – in Richtung Ausgangsimpedanz / Störempfindlichkeit / Höhenwiedergabe sowie in Richtung billiger bunter Kabel.
Physikalisch-technische Hintergründe
Bei der Auflistung der physikalisch-technischen-Hintergründe soll mit der „ollen Physik“ begonnen werden, um daraus modernere technische Zusammenhänge abzuleiten.
- Induktion und Transformator
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Das Prinzip der elektromagnetischen Induktion insbesondere bei gekoppelten Spulen (um jeden stromdurchflossenen Leiter bildet sich ein Magnetfeld, dieses Magnetfeld lässt sich bündeln, indem man die Leiter zu einer Spule wickelt und: einer Änderung des Stromes und des Magnetfeldes folgend wird in jedem und auch in jedem anderen Leiter in der Nähe eine Spannung induziert), hat man sich schon früh bei Transformator zunutze gemacht.
Bei einem Netztransformator werden um einen Eisenkern mehrere Spulen gewickelt – eine Spule ist als Primärspule mit dem Stromnetz und mit der Netz-Wechselspannung verbunden, während von der oder den Sekundärspule(n) die Ausgangsspannung für die Betriebsspannungversorgung abgegriffen wird.
Dabei verhalten sich die Spannungen an Primär- und Sekundärwicklung zueinander wie die Windungszahlen von Primär- und Sekundärwicklung – die verfügbaren Ströme hingegen reziprok dazu.
Das bedeutet, dass Netztransformatoren im Wesentlichen für eine Netzspannung bzw. einen Netzspannungsbereich ausgelegt werden (z. B. für den Bereich 220 V bis 240 V oder für den Bereich 110 V bis 120 V). Wobei ergänzt werden muss, dass es natürlich bei einigen Transformatoren auch die Möglichkeit gibt, durch Serien / Parallelschaltung mehrerer Primärspulen beispielsweise zwischen unterschiedlichen Netzspannungen umzuschalten.
- Induktion und Brummschleifen
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Die Transformation elektrischer Energie, wie sie im Netztransformator stattfindet, kann sich aber auch ohne Eisenkern und ohne direkte Kopplung von Primär- und Sekundärspule ereignen – so kann eine Wechselspannung auch außerhalb des Netztransformators beispielsweise in eine Spule mit der Windungszahl eins (d. h. eine Drahtschleife) induziert werden, wenn die Drahtschleife ein ausreichend großes magnetisches Feld umschließt.
In der Ton- bzw. Beschallungstechnik kommt eine solche Leiterschleife z. B. als doppelte Masseverbindung (Masse- oder Brummschleife genannt) vor.
- Transformator, Gleichrichtung und Stabilisierung
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Da der Transformator an der Sekundärspule Wechselspannung abgibt, deren Höhe dann auch nicht so fest der Primärspannung folgt, sondern mit Belastung kleiner werden kann, muss diese Wechselspannung gleichgerichtet, gesiebt (geglättet) ggf. stabilisiert werden.
Neben einem ganz einfachen unstabilisierten Netzteil (nur mit Transformator, Gleichrichter und einem großen Elektrolytkondensator, z. Z. eher historisch) gibt es Stabilisierungsschaltungen mit einer Z-Diode (eine Art Überlast- oder besser Überlaufventil, nicht sehr energieeffizient – aller Strom, der nicht in den Verbraucher fließt, fließt durch die Z-Diode) sowie stabilisierte Netzteile mit einem sogenannten Längsregler. Hier wird zwischen Gleichrichtung / Siebung und dem Verbraucher eine Art selbststeuerndes Durchlaufventil geschaltet, welches den Ausgang des Netzteils auf einer konstanten Spannung hält. Diese bietet im Allgemeinen die „sauberere“ Ausgangsspannung, d. h. die bessere Filterwirkung. Sie hat aber u. U. einen etwas größeren „Spannungsverbrauch“ d. h. die Spannung am Hauptelektrolytkondensator muss 2,5 V bis 3 V größer sein als die gewünschte Ausgangsspannung.
- Transformator und Schaltnetzteil
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Natürlich hat das Prinzip des klassischen Transformators auch Nachteile; neben der Größe des eigentlichen Transformators (der in der geringen Netzfrequenz begründet ist) ist eines der wichtigsten Nachteile das feste Spannungsverhältnis zwischen Primär- und Sekundärspannung (ein Hersteller muss für verschiedene Teile der Welt mehrere oder umschaltbare Netzteile bauen / anbieten), ein weiterer Nachteil der Energieverluste bei der Spannungsstabilisierung.
Diese Nachteile werden beim Schaltnetzteil umgangen. Hier wird die Primärspannung gleichrichtet, bei hoher Frequenz „zerhackt“ und über einen sehr kleinen Transformator in die Ausgangsspannung übertragen und hinter dem Transformator gefiltert. Dabei kann die Spannung schon vor dem Transformator beim Zerhacken so „portioniert“ werden, dass ausgangsseitig zwar eine Filterung, aber keine Regelung notwendig ist. Der Transformator kann wegen der hohen Frequenz des zerhackten Signals sehr klein sein.
Der größte Nachteil von Schaltnetzteilen besteht allerdings in der großen Menge „HF-Drecks“, die primär- (in Richtung des Stromnetzes) wie primärseitig (in Richtung des Verbrauchers) emittiert wird. Weiterhin kann es Interferenzen der Schaltnetzteils zum Beispiel mit dem Takt von digitalen Effektgeräten geben. Dazu kommt: Auch wenn der Schaltnetzteile Taktfrequenz im Ultraschallbereich liegt, stehen sie in dem Ruf, dass das regelmäßige Nachregeln der Ausgangsspannung zu Audiostörungen führt, und das insbesondere im Falle einer großen Belastung des Netzteils.
Der direkte Einsatz von Schaltnetzteilen an (Ton)effektgeräten wird deswegen eher nicht empfohlen.
Probleme auf dem Pedalboard
Kapitelinhalt:[ Überspringen ]Brummschleifen mit Daisy Chains
Weiter oben wurde ja schon den Effekt der (Stör)induktion in eine Leiterschleife angedeutet – dies soll jetzt, bezogen auf das Problem von Brummschleiften auf dem Pedalboard dies soll jetzt näher besprochen werden. Die folgende Abbildung 1.1 zeigt, wie eine oder mehrere Brummschleifen entstehen, wenn die über Klinkenkabel verbundenen Bodeneffektgeräte von einem gemeinsamen Netzteil aus über eine sogenannte Daisy Chain versorgt werden. (Daisy Chain: es werden alle Netzteilanschlüsse parallel mit dem Netzteil verbunden– Kabel vom Netzteil in Effektgerät 1, Effektgerät 2, Effektgerät 3 usw. – dabei sieht das sieht Netzteilkabel es u. U. tatsächlich wie die Umrisse einer Gänseblume aus).
Die Abbildung zeigt, dass es zwischen den Massen der einzelnen Effektgeräte tatsächlich eine doppelte Verbindung gibt – d. h. es entstehen Leiterschleifen, in denen ein induzierter Wechselstrom „im Kreis fließen“ kann. (In den Zeichnungen werden Kabelschirmung und Masseverbindung der Patch-Kabel durch zwei Ringe an Anfang und Ende des Kabels und eine gestrichelte Linie entlang des Kabels dargestellt.)
Abb. 1.1: Prinzipielle Darstellung der Entstehung von Brummschleifen bei der Speisung mehrerer Bodeneffektgeräte aus einem Netzteil mit nicht isolierter Masse (Daisy Chain). (Die Schaltung des Netzteils wird hier und in weiteren Abbildungen stilisiert dargestellt.)
Dabei wird auch auf den sowohl auf den Stromversorgungskabeln vom Netzteil als auch auf den Patch-Kabeln zwischen den Effektgeräten Störspannung induziert, die in das Signal eingeht: Beispielsweise gibt Effektgerät FX3 ein Signal in Bezug auf seine Masse ab. Am Eingang von FX4 ist das noch das gleiche Signal, aber die Spannung an der Masse von FX4 ist nicht gleich der von FX3 – die Spannung, die am Schirm des Patch-Kabels induziert wurde, d. h. die Differenzspannung zwischen der Masse von FX4 und der von FX3, wandert in das Nutzsignal.
Dieser Effekt ist natürlich umso störender, je kleiner das Nutzsignal ist und je größer die weitere (Leerlauf)-Verstärkung ist – am problematischsten ist es bei den ersten Effekten vor dem Verstärker, denn hier wird das „eingefangene“ Brummen insbesondere über Kompressor(en) und Verzerrer hochverstärkt. Wenn hier keine Versorgung mit galvanisch isolierten Spannungsquellen möglich ist, sollten die Kabel so verlegt werden, dass die von Masseschleifen umschlossenen Flächen klein sind.
„Germaniumgeräte“
Thema dieses Abschnittes ist nicht primär eine Spannungsversorgung von „Germaniumgeräten“, sondern von Geräten, die mit einer negativen Betriebsspannung arbeiten. Dabei handelt es sich allerdings meist um Geräte, die mit Germaniumtransistoren bestückt sind, da es, zumindest in der Frühzeit der Halbleitertechnik, einfacher war, aus Germanium (bipolare) pnp-Transistoren bzw. aus Silizium (bipolare) npn-Transistoren herzustellen, was dazu führte, dass zu Zeiten der Verwendung von Germaniumtransistoren die Betriebsspannung negativ und die Betriebsspannung positiv war und später, mit der Einführung der Siliziumtransistoren, umgekehrt. Im Folgenden geht es also darum, Geräte mit negativer Betriebsspannung am gleichen Netzteil zu verwendet wie heute übliche Geräte mit positiver Betriebsspannung.
Die folgende Abbildung 1.2 zeigt die erste mögliche Eselei, einfach nur das gesamte Gerät bzw. das Stromversorgungskabel umzupolen, was zu einem Kurzschluss führt. Da bei den Geräten mit positiver Betriebsspannung der Minuspol von Batterie und Netzteilanschluss an Masse liegt und bei den Geräten mit negativer Betriebsspannung der Pluspol, kommt es bei der Verbindung beider Geräte zu einem Kurzschluss des Netzteils über die Masseverbindung bzw. die Schirmung des Kabels zwischen beiden Geräten.
Abb. 1.2: Kurzschluss über die Masseverbindung beim Zusammenschalten von mit unterschiedlicher Polarität aus einem Netzteil gespeister Geräte.
Dieses Geraffel ist also nicht nur irgendwie ungünstig, das funktioniert schlichtweg nicht. Wenn man also zwei Geräte mit unterschiedlicher Polarität aus einem Netzteil speisen will, darf man entweder die Massen nicht verbinden, sondern man muss die Masse bei einem Gerät „umpolen“ (die sogenannte negative-Ground-Schaltung) – die folgende Abbildung 1.3 zeigt das Prinzip:
Abb. 1.3: Betrieb eines Effektgerätes mit negativer Betriebsspannung in der sogenannten negative-Ground-Schaltung gemeinsam mit anderen Geräten an einem Netzteil.
Die eigentliche, innere Schaltung im Gerät mit pnp-Germaniumtransistoren funktioniert wie bisher – die innere (positive) Masse in der Schaltung ist mit der äußeren (positiven), vom Netzteil kommenden Betriebsspannung verbunden, und die innere (negative) Betriebsspannung der eigentlichen Schaltung mit der äußeren, negativen Masse. Lediglich die Pulldown-Widerstände, die die Ruhespannung der Koppelkondensatoren an Ein- und Ausgang des Gerätes festlegen, gehen nicht an die innere positive, sondern an die äußere negative Masse.
Das scheint doch sehr gut zu funktionieren; wo also liegt das Problem? Dieser Art der Verschaltung wird gelegentlich die Neigung zum tieffrequenten Schwingen (dem sogenannte Motorboating) nachgesagt. Was passiert da?
Die eigentliche Schaltung im Gerät mit der negativen Betriebsspannung arbeitet mit der (positiven) allgemeinen Betriebsspannung der anderen Geräte als Spannungsbezug. Das bedeutet, dass alle Schwankungen / Störungen auf der Betriebsspannung hier in das Signal aufgenommen und ggf. in diesem und / oder den folgenden Geräten verstärkt werden.
Wenn nun das gemeinsam genutzte Netzteil keine besonders stabile Ausgangsspannung zur Verfügung stellen kann, kann es weiter, dass das verstärkte Nutzsignal weiter hinten im Signalweg „in die Betriebsspannung wandert“. So kann es hier insgesamt zu einer Rückkopplungsschleife kommen. Der Pufferkondensator im Netzteil beschränkt dann diese Rückkopplung auf tieffrequente Signale, und es entsteht u. U. das erwähnte Motorboating.
Die beiden folgenden Abbildungen zeigten zwei mögliche Ansätze, dieses Problem zu umgehen – das Gerät mit negativer Betriebsspannung wird mit einem eigenen Netzteil versorgt; wobei in Abbildung 1.4 und ein spezielles (oder umgebautes) Netzteil mit negativer Ausgangsspannung verwendet wird, während im Abbildung 1.5 das Effektgerät auch auf negative-Ground umgebaut und an einem eigenen Netzteil betrieben wird.
Abb. 1.4: Gemeinsamer Betrieb zweier Effektgeräte mit unterschiedlicher Polarität der Betriebsspannung an zwei unterschiedlichen Netzteilen.
Dieser zweite Ansatz hat zumindest den Vorteil, dass grundsätzlich auch ein übliches Netzteil gleicher Polarität (also immer negative Masse, positive Betriebsspannung) verwendet werden kann.
Abb. 1.5: Gemeinsamer Betrieb zweier Effektgeräte mit unterschiedlicher Polarität der Betriebsspannung an zwei gleichen Netzteilen – das Gerät mit negativer Betriebsspannung wird in negative-Ground-Schaltung betrieben.
Ein dritter Ansatz zum Betrieb von „Germaniumgeräten“ könnte in der Verwendung eines Spannungswandlers bestehen, wie er in einem weiteren Kapitel dieses Artikels beschrieben wird.
Allerdings empfiehlt sich auch hier die Verwendung eines eigenen Netzteilausgangs mit eigener Stabilisierung – allerdings nicht wegen der Gefahr des Motorboatings, sondern wegen der möglichen Störungen durch den Spannungswandler.
Wechselseitige Störungen
Bei der gemeinsamen Verwendung eines Netzteils für mehrere Effektgeräte kann es auch dazu kommen, dass die Geräte sich gegenseitig über die Betriebsspannung stören. Hier sind zuerst zwei Störungsquellen zu erwähnen, digitale Effektgeräte und Spannungswandler.
- Digitale Effektgeräte
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Die meisten elektronischen Datenverarbeitungsschaltungen, also auch digitale Effektgeräte, arbeiten mit einem sogenannten Takt. Dieser Takt führt u. U. zu einer höherfrequent rhythmischen Stromaufnahme, d. h. der Takt „wandert“ in die Spannungsversorgung und so auch in andere Effektgeräte. Dabei kann es geschehen, dass sich der Takt eines digitalen Effektgerätes mit dem ungleichen Takt eines anderen Gerätes oder Schaltnetzteils überlagert und sich Summen- oder Differenzfrequenzen bilden, die auch in den Audiobereich fallen können.
Insgesamt scheint es hier das sinnvollste, die verschiedenen Geräte über jeweils eigene Netzteile oder zumindest über eigene Stabilisierungsschaltungen zu versorgen.
- Spannungswandler
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Gelegentlich werden in Effektgeräten auch sogenannte Spannungswandler eingesetzt, die z. B. 9 V in 18 V oder +9 V in −9 V umwandeln. Auch hier kann es passieren, dass der Takt dieser Spannungswandler in andere Geräte „wandert“ und auch hier ist dann der Einsatz jeweils eigener Netzteile oder eigener Stabilisierungsschaltungen zu empfehlen.
Soweit ein kurzer Überblick über einige mögliche Probleme bei der Spannungsversorgung auf dem Pedalboard – in den folgenden Abschnitten soll es um einige Lösungsansätze gehen.