Strom­versorgung auf Pedalboards

PSA- und ACA-Netzteile von BOSS

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“Now about something completely different” – im Folgenden ein Kapitel zum sogenannten ACA-Netzteil bzw. der ACA-Schaltung des japanischen Herstellers der Effekt­geräte­marke BOSS, was offensichtlich gedacht war, mehrere halbwegs problem­frei Boden­effekt­geräte über ein Netz­teil zu betreiben: 

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Das BOSS ACA-Prinzip

Die im ersten Teil des Artikels beschriebenen Probleme mit Brumm­schleifen sind ja nun keine Erfindungen der letzten Jahre, sondern grundsätzlich, da physikalisch nachvollziehbar, seit langem bekannt.  Der japanische Hersteller der Effekt­geräte­marke BOSS hat deshalb mit der Ein­führung seiner Boden­effekt­geräte neben anderen Lösungen wie einem verschleißfreien (elektronischen) Schalter oder einem Signal­puffer auch für das Problem der Brumm­schleifen zwischen mehreren Effekt­geräten und dem Netz­teil einen Lösungs­versuch in die Geräte eingebaut – die ACA-Schaltung.  Die folgende Abbildung 3.1 zeigt das Prinzip: 

Schaltskizze

Abb. 3.1: Dar­stellung des grundsätzlichen Prinzips eines BOSS ACA-Netzteils – in die Minus-Leitung zwischen jedem Gerät und dem Netz­teil wird eine Diode mit Vor­widerstand eingeschleift. 

In allen Boden­effekt­geräten wird zwischen Schaltungsmasse und dem Minuspol der Netzteil­buchse die Reihen­schalt­ung einer in Fluss­richtung gepolten Diode und einem Serien­widerstand eingeschleift.  Weiterhin liegt zwischen Plus- und Minuspol der Netzteil­buchse eine Z-Diode in Sperrrichtung zur Spannungs­stabilisierung bzw. als „Über­druck­ventil“. 

Wenn man jetzt den Weg einer möglichen Masse­schleife abfährt, so ist zu erkennen, dass hier zwei (von Gleich­strom durchflossene) antiserielle Dioden mit zwei Wider­ständen in Reihe liegen – sodass die Masse­schleife zwar nicht vollständig verhindert wird (die durch den Gleichstrom vorgespannten Dioden sperren induzierte Wechsel­spannungen nicht vollständig), so kann doch wenigstens der Wider­stand in dem Teil der Schleife, die nicht im Signal­weg liegt, wesentlich erhöht werden. 

Doch wozu die Z-Diode?  Dazu die folgende Abbildung 3.2, hier wurde die ACA-Schaltung im Hinblick auf Betriebs­spannungen und Versorgungs­ströme noch einmal anders gezeichnet. 

Schaltskizze

Abb. 3.2: Spannungs­verteilung bei der Versorgung mehrerer Effekt­geräte über ein BOSS ACA-Netzteil – der Minus-Pol des Netzteils „schwimmt“ gegenüber der Signal­masse.  Die fetten Linien in dieser Skizze bedeuten, dass FX2 den kleinsten Wider­stand in der Minus-Leitung hat und so dort der größten Strom fließt sowie dass durch die Z-Diode im Gerät FX4 so der größten Strom fließt, weil diese Diode die geringsten Z-Spannung aufweist. 

Die Spannung aus einem (höchstwahrscheinlich) ungeregelten Netz­teil wird über die übliche Daisy Chain auf alle Boden­effektgeräte verteilt, d. h. die Betriebs­spannungs­anschlüsse alle Geräte sind mit dem Pluspol des Netzteils verbunden.  Der Betriebs­strom verteilt sich also auf alle Geräte, vereinigt sich dann nach Durchlaufen der Geräte über die Masse­verbindung zwischen den Geräten (d. h. über die Klinkenkabel), verteilt weiter auf die verschiedenen Reihen­schalt­ung­en Diode und Serien­wider­stand, die jeweils zwischen Schaltungs­masse und Minus­pol des Netzteil­anschlusses liegen, um sich dann an letzterem zu vereinigen und über die Daisy Chain zum Netz­teil zurück­zufließen. 

Dabei fällt natürlich an den Serienwiderstände und an den Dioden eine gewisse Spannung ab (an den Dioden etwa 500 bis 700 mV, an den Wider­ständen mehr), wobei der Spannungs­abfall über allen Wider­stand-Diode-Kombinationen gleich ist, d. h. die Verteilung der Betriebs­ströme aller Geräte auf die Wider­stand-Diode-Kombinationen der Geräte hängt von der Größe des Wider­standes ab, nicht von der Strom­aufnahme des Gerätes.  Das bedeutet, dass die Spannung, die das Netz­teil zur Verfügung stellen kann, deutlich größer sein als die 9 V, die die Geräte benötigen, um den Spannungs­abfall über den Wider­stand-Diode-Kombinationen auszugleichen. 

Die Z-Dioden dienen dabei dem Schutz der Geräte vor Über­spannung – wird die maximale Spannung von – in diesem Falle – 11 V überschritten, d. h. ist der Spannungs­abfall an den genannten Wider­stand-Diode-Kombinationen zu gering und wird das Netzteil nicht genug belastet, so müssen die Z-Dioden sukzessive leitend werden, damit der zusätzliche Strom, wieder auf alle Wider­stand-Diode-Kombinationen verteilt, den Spannungsabfall über diesen erhöht.  Bei dieser Schutzschaltung mit Z-Diode ist der Vorwiderstand also nicht „oben“, sondern „unten“, unterhalb der Geräte­masse, und der Massebezug des Netzteils „schwimmt“. 

Nur gilt aber hier, dass sich auch die Ströme durch die Z-Dioden nicht entsprechend der Strom­aufnahme der Geräte verteilen, sondern: die Z-Diode mit der geringsten Durchbruch­spannung „bekommt den meisten Strom ab“. 

Das führt schon zur Betrachtung der Probleme, die mit der ACA-Schaltung von BOSS verbunden sind oder verbunden sein können.  Dazu zunächst ein paar Informationen aus dem Datenblatt der verwendeten Z-Dioden RD11EB und RD11EB3.  Das Datenblatt weist für beide Dioden eine maximale Belastbarkeit von 500 mW aus, d. h. bei einer Durchbruch­spannung von etwa 11 V sollte der Strom durch die Z-Diode nicht wesent­lich größer als 40 mA sein.  Weiteres zeigt die folgende Tabelle 3.1

Tab. 3.1:  Kenndaten der Z-Dioden RD11EB und RD11EB3 – Aus­zug aus dem Datenblatt
Type Zener
Voltage

VZ
Dynamic
Impedance

ZZ
Knee Dynamic
Impedance

ZZK
Min. 
[ V ]
Max. 
[ V ]
IZ 
[ mA ]
Max. 
[ Ω ]
IZ 
[ mA ]
Max. 
[ Ω ]
IZ 
[ mA ]
RD11EB 10,18  11,26  10  10  10  120  0,5 
RD11EB3 10,82  11,26  10  10  10  120  0,5 

Die Durchbruch­spannung der Z-Diode RD11EB3 liegt im Bereich von 10,82 V bis 11,26 V – die mögliche Durchbruch­spannung überstreicht also einen Bereich von 440 mV.  Weiterhin hat die Z-Diode, sobald sie von einem nennenswerten Strom durchflossen wird, einen differentiellen Wider­stand von maximal 10 Ω.  Grob gedacht bedeutet das:  Wenn in einer Schaltung entsprechend Abbildung 3.2 zwei unterschiedliche Z-Dioden mit Durchbruch­spannungen von 10,82 V und 11,26 V zusammengeschaltet werden, so nimmt die erstgenannte Z-Diode fast den gesamten zulässigen Strom von 44 mA auf, ehe die Spannung über der Diode so groß wird (10,82 V + 44 mA ⋅ 10 Ω = 11,26 V), dass auch die zweite Z-Diode nennenswert zu leiten beginnt. 

Das heißt, dass bei einer Kette von mehreren ACA-Effekt­geräten im Ernstfall die Z-Diode mit der geringsten Durchbruch­spannung die Spannungsbegrenzung übernimmt und allen „überflüssigen“ Strom aufnehmen muss. 

Daraus folgt nun, dass die Schaltung so dimensioniert werden sollte, dass der beschriebene Fall möglichst nicht eintritt.  Um das wenigstens im Ansatz beurteilen zu können, hat der Autor die Informationen zu einigen vorwiegend älteren Boden­effekt­geräten zusammenzutragen versucht.  Siehe dazu die folgende Tabelle 3.2.  Die Geräte sind in der Tabelle nach ihrer Strom­aufnahme sortiert, welche (nicht vollständig) mit dem Alter der Geräte korreliert. 

Tab. 3.2:  Strom­aufnahme, Serien­widerstand, Schutz­diode (und deren Zener­spannung) einiger Boden­effekt­geräte von BOSS mit ACA-Netzteil – An­gab­en ohne Gewähr.  Legende:  RS: Serien­widerstand im unteren Strom­kreis,  UR: Spannung dar­über,  UZ: Zenerspannung  und  ID,max:  geschätzter maximaler Z-Diodenstrom bei Netzteil­spannung (Leerlauf) etwa 16 V. 
Gerät 
Strom-
aufnahme
RS UR Diode UZ ID,max
OD 1 3,5 mA 470 Ω1,645 VRD11EB3 11 V 5 mA
CS 2 4 mA 470 Ω1,88 VRD11EB3 11 V 5 mA
DS 1 4 mA 470 Ω1,88 VRD11EB3 11 V 5 mA
SG 1 4 mA 470 Ω1,88 VRD11EB3 11 V 5 mA
SP 1 4 mA 470 Ω1,88 VRD11EB3 11 V 5 mA
SD 1 4 mA 470 Ω1,88 VRD11EB3 11 V 5 mA
BF 2 15 mA56 Ω0,84 VRD11EB3 11 V 61 mA
PH 1 7 mA 100 Ω0,7 VRD11EB 11 V 43 mA
CE 2 9 mA 100 Ω0,9 VRD11EB 11 V 41 mA
DM-2v111 mA 100 Ω1,1 VRD11EB 11 V 39 mA
VB 2 11 mA 220 Ω2,42 VRD11EB 11 V 9 mA
FT 2 16 mA 180 Ω2,88 VS5500G — 
(keine Z-Diode)
 — 
(keine Z-Diode)
DF 2 10 mA 330 Ω3,3 VS5500G — 
(keine Z-Diode)
 — 
(keine Z-Diode)
HM 2 10 mA 330 Ω3,3 VS5500G — 
(keine Z-Diode)
 — 
(keine Z-Diode)
OD 2 10 mA 330 Ω3,3 VS5500G — 
(keine Z-Diode)
 — 
(keine Z-Diode)
CE 3 13 mA 390 Ω5,07 VS5500G — 
(keine Z-Diode)
 — 
(keine Z-Diode)

Zur Ergänzung der obiger Tabelle enthaltenen Informationen sowie zu Art und Schaltung des Netzteils hat der Autor Angaben auf der Seite stinkfoot.se/archives/726 gefunden, die hier der Ein­fach­heit halber zitiert werden. 

1978, Boss launched the Compact pedal line, and all the early products were small current consumers. The OD-1 draws about 4 mA, and the CE-2 (introduced in 1979) draws about 8 mA. The first adapter Boss sold to go with the pedals was called the „ACA-xxx” (where “xxx” denotes the mains voltage, so the US one was called „ACA-120”, while the EU one was called “ACA-230”). This adapter was unregulated (as the current draw grows, the output voltage drops) and even though they were labeled ”9 V DC”, they did put out roughly 12 V DC at a normal load. So each pedal was fitted with a diode and a resistor, to drop the incoming voltage to roughly 9 volts DC

Insgesamt ist – aus heutiger technischer Sicht – das ACA-Konzept durch die gestiegene Stromaufnahme der Effekt­geräte überholt – es treten zwei miteinander in Zusammenhang stehende Probleme auf: 

Belastung Z-Diode:

Die obige Tabelle 3.2 zeigt die Verwendung unterschiedlicher Z-Dioden.  Für die Bestückung der Geräte mit der Z-Diode RD11EB3 oder der Z-Diode RD11EB (letztere hat einen größeren Bereich der Durch­bruch­spannung) sind hier keine Gründe zu erkennen, der Wechsel zur Standard­diode S5500G (keine Z-Diode) könnte aber darauf hin­deuten, dass das Konzept eines Überspannungsschutz so nicht funktioniert, wenn – bei einer steigenden Anzahl einzelner Geräte – der mögliche Strom durch die jeweils „schwächste“ Z-Diode zu groß wird. 

Größe des Fußwiderstands RS:

So wie sich das ACA-Konzept für den Autor darstellt, müsste, um verschiedene ACA-Geräte an einem Netzteil kombinieren zu können, der Widerstand RS im Minus-Kreis der Spannungsversorgung (zwischen Geräte­masse und Betriebs­spannungs­abschluss) umso kleiner sein, je größer die Strom­aufnahme des Gerätes ist.  Bei den Geräten, die in der Mitte der Tabelle aufgelistet werden, ist das auch so.  Hingegen zeigt sich im unteren Teil von Tabelle 3.2, dass bei den jüngeren Geräten dieser Wider­stand und auch der Spannungs­abfall UR über dem Wider­stand RS relativ groß ist – es sieht so aus, als sollte dieser große Spannungs­abfall den Über­spannungs­schutz der Z-Diode, die bei diesen Geräten durch eine normale Diode S5500G ersetzt wurde, kompen­sieren. 

Das könnte sogar funktionieren, wenn nicht irgendein Kunde diese ACA-Geräte mit den Geräten kombiniert, die in der Mitte der Tabelle aufgelistet sind.  Bei einer solchen Kombination würde die genannte Spannungs­reduktion nicht mehr funktionieren, da der kleinere RS den meisten Strom aufnimmt, so dass die Spannung im Fußzweig wieder sinkt, die verbleibende (Betriebs)spannung steigt und ggfs. doch wieder eine Z-Diode den überschüssigen Strom aufnehmen muss. 

Insgesamt scheint das ACA-Prinzip nur bei Geräten „der ersten Generation“ (in der Tabelle oben) wirklich zu funktionieren.  Wie im obigen Zitat angedeutet, war das ACA-Prinzip ja auch eher für Geräte mit sehr geringer Strom­aufnahme konzipiert worden und (wahr­schein­lich) funktionierte das Konzept mit diesen Geräten auch gut. 

Zum Ab­schluss noch eine Anmerkung zur Verwendung alter BOSS-ACA-Geräte.  Wenn man diese an einem „normalen“ Netz­teil (z. B. BOSS-PSA-Netzteil) betreibt, gibt es u. U. Probleme mit der Betriebs­spannung und vielleicht auch der Dynamik.  Die folgende Abbildung 3.3 sollte das Problem deutlich machen: 

Schaltplan

Abb. 3.3: Fehlversorgung von ACA-Geräten an einem PSA-Netzteil

In der Verbindung vom Gerät zum Minus­pol des Netzteils liegen immer noch ein Wider­stand und eine Diode – die Spannung, die über beiden abfällt, „fehlt“ hier bei der Betriebs­spannung, was sich ungünstig auswirkt, wenn das ACA-Gerät an ein PSA-Netzteil mit 9 V angeschlossen wird. 

Allerdings, und das zeigt die Abbildung auch, werden diese Diode und dieser Wider­stand kurzgeschlossen, wenn man auch nur ein Gerät ohne ACA-Schaltung (d. h. mit direkter Verbindung von Netzteil­masse und Geräte­masse) in den Signal­weg nimmt und außerdem an das gleiche Netzteil anschließt.  Somit besteht die Lösung des Problems darin, ein „nicht-ACA-Gerät“ im gleichen Signal­weg und am gleichen Netz­teil zu verwenden – siehe auch Abbildung 3.4

Schaltplan

Abb. 3.4: Problemlösung beim Betrieb von ACA-Geräten an einem PSA-Netzteil – ein weiteres Gerät ohne ACA-Schaltung verbindet die Geräte­masse und den Minus­pol des Netzteils. 

Dabei muss darauf geachtet werden, dass es sich um ein stabilisiertes Netzteil handelt – ein unstabilisiertes 9 V-Netzteil mit einer wesentlich größeren Leer­lauf­spannung könnte die Z-Diode im ACA-Gerät, die nun keinen Vorwiderstand mehr hat, zerstören. 

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Das BOSS PSA-Netzteil

Nachdem das ACA-Prinzip im Wesentlichen wegen der wachsenden Strom­auf­nahme insbesondere von digitalen Effekt­geräte nicht mehr sinnvoll war, wurde es anscheinend „beerdigt“ und auf die Verkabelung der Effektgeräte über ein gemeinsames Strom­versorgungs­kabel (Daisy Chain) zurück­ge­griffen.  Hier also im Vergleich dieser etwas neuere Weg – ein einfaches PSA-Stecker­netzteil von BOSS.  Dazu der nachgezeichnete Schalt­plan eines solchen Netzteils (die Original­grafik enthält einen Verweis auf eine Seite www.azsurplus.com) – siehe die folgende Abbildung 3.5

Schaltplan

Abb. 3.5: Schaltung des Stecker­netz­teils BOSS PSA 120T – der Schalt­plan folgt der Dar­stellung auf der Seite www.azsurplus.com7809 meint den Spannungs­stabilisator LM7809 und 1N4148 die Diode in dessen Fußzweig.

Hier wird ein Trans­formator mit einer Sekundär­spannung von 16 V Wechsel­spannung verwendet, um eine Aus­gangs­spannung von 9,6 V bereit­zu­stellen.  Bei dieser Schaltung liegt die unbelastete Leer­lauf­spannung bei etwa 22 V vor und etwa 21 V hinter der Graetz­brücke – unter Last kann hinter der Graetz­brücke noch mit gut 13 V gerechnet werden, so dass noch mindestens 2,5 V „Luft“ bleiben, um den Längs­regler / „Dreibeiner“ betreiben zu können.  Das mögliche Brumm­schleifen­problem wegen der Masse­schleifen über eine Daisy Chain bleibt dem Anwender allerdings erhalten – genauso wie die mögliche wechsel­seitige Störung mehrerer digitaler Geräte und deren Daten­takt …