Strom­versorgung auf Pedalboards

Har­ley Ben­ton Power­plant Junior

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Eher zufällig (oder besser, eher preisbedingt ;-) lernte der Autor vor Jahren ein preiswertes Mehrfach­netzteil, dass über das Label Har­ley Ben­ton des Versand­händlers Thomann vertrieben wird, kennen.  Grund genug, dieses Gerät hier einmal vorzustellen und eingehender zu untersuchen: 

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Das Gerät

Bemerkenswert am Har­ley Ben­ton Power­plant Junior ist, dass es fünf galvanisch getrennte Netzteilausgänge zur Verfügung stellt (die fünf Aus­gänge haben weder am „Pluspol“, d. h. am Aus­gang für die 9 V noch am „Minuspol“, d. h. am Masse­ausgang, Verbindung zueinander).  Das würde die Möglichkeit eröffnen, fünf verschiedene (Boden)effekt­geräte ohne die Gefahr von Brummschleifen aus einem Netzteil versorgen zu können. 

Aus diesem Grund hatte der Autor das Gerät irgendwann (Anfang der „zehner“ Jahre) mal bestellt, die wesentlichen Details der Schaltung herausgezeichnet und ein paar Ein­drücke notiert.  Doch davor zunächst in Abbildung 4.1 eine Fotografie vom Inneren des Gerätes: 

Fotografie

Abb. 4.1: Innen­aufbau eines Har­ley Ben­ton Power­plant Junior

Dem schließt sich in Abbildung 4.2 die herausgezeichnete Schaltung an: 

Schaltplan

Abb. 4.2: Schaltplan eines Har­ley Ben­ton Power­plant Junior.  Die sekundär­seitige Schaltung ist fünf­mal enthalten (mit Ausnahme der LED). 

Die Schaltung des Har­ley Ben­ton Power­plant Junior ist einfach.  Primärseitig eine Sicherung, in geschlossener Fassung auf die Platine gelötet.  Sekundär­seitig pro Aus­gang:

  • eine Graetz­brücke,
  • ein Elko 1000 µF und ein Keramik­konden­sator 100 nF,
  • der Längs­regler / Dreibeiner LM7809
  • ein Elko 100µ und
  • die Aus­gangs­buchse. 

Es fehlt allerdings auch hier eine sogenannte Freilaufdiode, d. h. eine Diode in Sperr­richtung zwischen Ein- und Aus­gang des Stabili­sators, die diesen vor von außen kommender Restspannung (z. B., wenn sich im an­ge­schlos­senen Gerät ein Elko langsamer entlädt als der Hauptelko im Power­plant Junior). Es könnte daher Probleme bereiten, wenn zwei 9 V-Ausgänge des Har­ley Ben­ton Power­plant Junior zu einem 18 V-Ausgang zu­sammen­ge­schaltet werden, da sich hier im Ernst­fall beide in Serie geschalteten Zweige den Ent­lade­strom ihres Haupt­elkos „gegen­seitig in den Ausgang drücken“. 

Weiterhin gibt es für das gesamte Gerät eine LED mit Vor­widerstand (die aber nicht hundertprozentig zu gebrauchen ist, da sie nach Abschalten des Gerätes erst nach frühestens zehn Sekunden merklich dunkler wird),

Die Aus­gangs­spannungen, an den unbelasteten Aus­gängen gemessen, liegen zwischen 9,01  und 9,15 V [1].  (Inwieweit es dann Sinn hat, zwei Aus­gänge mit einem mitgelieferten Y-Kabel schlicht parallel zu schalten, ist nicht so ganz klar.)

Der mechanische Aufbau ist „preisoptimiert“ – das Gehäuse besteht aus zwei U-Schalen, die miteinander verschraubt werden (und zueinander mechanisch etwas unter Spannung stehen).  Vier Winkel mit Gewindebohrung sind auf die Platine aufgelötet – damit wird die Platine in der unteren Gehäuseschale verschraubt.  Insgesamt musste das ganze Gerät, nachdem es auseinandergeschraubt worden war, mit ein wenig Drücken und Schieben der oberen U-Schale wieder in Form gebracht werden, bis die Schrauben wieder in die Gewinde passten. 

Dass das Gerät, insgesamt betrachtet, eher billig konstruiert ist, muss nicht bedeuten, dass es bei pfleglicher Behandlung (es soll solche Menschen geben ;-) Jahre und Jahrzehnte halten kann.  Mit billig konstruiert ist die z. B. Verbindung von mechanischer und elektrischer Funktion gemeint, dass die Platine und die aufgelöteten Winkel die mechanischen Spannungen des Gehäuse mit übernehmen.  Das kann ein Problem werden, wenn diese Löt­verbindungen mechanisch belastet werden, sei es, dass das Gerät öfter demontiert wird, herunter­fällt oder irgendwo „rein­ge­würgt“ / mechanisch unter Spannung stehend montiert wird. 

Die zweite wesentlich wichtigere Frage ist die nach der Be­last­bar­keit des Power­plant Junior – kann das Gerät die versprochenen 120 mA pro Aus­gang tatsächlich liefern? 

Der im Gerät verwendete Trans­formator hat, laut Auf­kleber, fünf Sekundär­windungen zu je 12 V, was, nach einer ersten Über­legung, zu wenig ist: 

  • Der Trans­formator mit einer regulären Ausgangs­spannung von 12 V gibt eine Wechsel­spannung mit einem Spitzen­wert von et­wa 17 V (12 V ⋅ √2) aus. 

  • Beide Halb­wellen der Sekundär­spannung durch­laufen jeweils zwei Dioden des Gleich­richters / der Graetz­brücke (in der Schaltung in Abbildung 4.2 das Bau­element 5BI) – d. h. hinter dem Gleich­richter verringert sich die mögliche Spitzen­spannung um etwa 1,5 V und lädt den Haupt­elko (in der Schaltung 1000 µF) auf etwa 15,5 V auf. 

  • Fließt kein oder nur ein geringer Ausgangs­strom, so hält der Haupt­elko diese Spannung von 15,5 V bis zum Spitzen­wert der nächsten Halb­welle; mit steigender Last bricht die Spannung zwischen den Spitzen­werten aber immer stärker ein. 

  • Der Längsregler / Dreibeiner benötigt eine Spannung von 2,5 V bis 3 V „für sich“, d. h. für eine Aus­gangs­spannung von 9 V muss die Spannung am Haupt­elko auch zwischen den Spitzen­werten mindestens 11,5 V bis 12V groß sein. 

  • Bei Last­anpassung, d. h., wenn die angeschlossene Schaltung genau die Leistung „verbraucht“, für die der Trans­formator dimensioniert ist, ist die am Elko geglättete Aus­gangs­spannung hinter dem Gleich­richter etwa so groß wie die nominelle Aus­gangs­spannung des Trans­formators (12 V) abzüglich der etwa 1,5 V, die an den Dioden abfallen – bei Last­anpassung liegt die Spannung hinter dem Gleichrichter also bei etwa 10,5 V; d. h. bei Last­anpassung kann die Ausgangs­spannung nicht 9 V erreichen. 

Man muss also vermuten, dass dieses Mehr­fach­netz­teil Har­ley Ben­ton Power­plant Junior nur bei wesentlich geringerer Be­lastung als angegeben zuverlässig und stabil arbeiten kann. 

Um das Ganze noch einmal zu verdeutlichen, wurde eine kleine „didaktisch wertvolle“ Simulation zusammengeklickt – die folgende Abbildung 4.3 zeigt die Simulations­schaltung und Abbildung 4.4 das Ergebnis: 

Schaltskizze

Abb. 4.3: Demonstrations­schaltplan der unter­schiedlichen Ausgangs­spannung hinter einer Graetz­brücke mit Sieb­konden­sator bei unterschiedlicher Last. 

Dabei wurde die Sekundär­wicklung des Trans­formators durch eine Spannungsquelle mit etwa 17 V Scheitel­spannung (Effektiv­wert 12 V) dargestellt und ein Innen­widerstand von der Spannungs­quelle von 20 Ω angenommen.  Die veränderliche Größe in der Simulation ist der Lastwiderstand R1, die betrachtete Größe sind die Spannungen am Haupt­elko C1 hinter dem Gleichrichter und die Ausgangs­ströme.  Es wurden drei verschiedene Szenarien simuliert: 

Leerlauf:

Die Schaltung arbeitet im Leerlauf – der Widerstand R1 hat einen Wert von 10 kΩ. 

Geringe Last 30 mA:

Mit einem Wert von 420 Ω für R1 wird ein Ausgangs­strom von etwa 30 mA erreicht – das sollte für die meisten (analogen) Effektgeräte mehr als ausreichend sein. 

Voll­last 120 mA:

Schließlich wurde der Last­wider­stand so gesetzt, dass sich ein mittlerer Ausgangs­strom von etwa 120 mA (die an­ge­gebene maximal ver­füg­bare Strom­stärke) ergibt. 

Das Resultat der Simulation – der zeitliche Verlauf der Trans­formator­spannung sowie von Ausgangs­spannung und -strom – zeigt die folgende Abbildung 4.4:

PSPICE-Diagramm

Abb. 4.4: Demonstration der unter­schiedlichen Ausgangs­spannungen hinter einer Graetz­brücke mit Sieb­konden­sator bei unterschiedlicher Last.  Legende: Grau: Ausgangs­spannung Trafo;  Bunt gestrichelt: Ausgangs­spannungen Siebglied;  Bunt gerade: Lastströme;  Rot: Last­strom ∼ 120 mA Grün: Last­strom ∼ 30 mA Blau: Leer­lauf;

Im Ergebnis der, zugegeben, etwas didaktischen Simulation wird deutlich, dass die Spannung am Haupt­elko, bei einem großen Last­strom von 120 mA, (rote Graphen) stark einbricht, eine große Welligkeit aufweist und mit etwa acht bis neun Volt viel zu gering ist.  Bei einem moderaterem Last­strom von 30 mA (grüne Graphen) ist die Spannung am Haupt­elko etwas stabiler und mit knapp dreizehn Volt noch aus­reichend groß, um einen da­hinter­liegenden 9 V-Längs­regler be­treiben zu können.  Im Leer­lauf pegelt sich die Spannung am Haupt­elko stabil auf etwa 1,5 V unter dem Maximum der Sekundär­spannung des Netz­trans­formators ein. 

Man mag nun einwenden, dass diese Simulation auf genau dieses Ergebnis hin „hingezirkelt“ wurde.  Das ist sogar richtig – Sinn dieser Simulation sollte eine De­monstration sein.  Für eine Überprüfung des Har­ley Ben­ton Power­plant Junior per Simulation fehlten, neben einem Simulations­modell des Längs­reglers, die technischen Parameter insbesondere des verwendeten Trans­formators.  Deswegen erfolgte – beschrieben im nächsten Abschnitt – eine Unter­suchung des vermuteten Problems „am lebenden Objekt“. 

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Der Test

Um die Be­last­bar­keit des Har­ley Ben­ton Power­plant Junior sinnvoll testen zu können, wurde auf einer Ex­perimental­platine mit einer Handvoll Wider­ständen und einer Lüster­klemmen­leiste eine Fünf­fach-Test­schalt­ung zu­sammen­ge­strickt – siehe die folgende Abbildung 4.5, die einen der fünf Zweige der Test­schaltung zeigt: 

Schaltplan

Abb. 4.5: Fünffach-Test­schalt­ung zur testweisen Be­lastung eines Har­ley Ben­ton Power­plant Junior

Dazu in Abbildung 4.6 der Auf­bau der Schaltung.  Der schlichte zu­sam­men­ge­frickelte Aufbau reicht – für den ein­mal­igen Ge­brauch wäre ein Ge­häuse etc. überhaupt nicht notwendig gewesen. 

Fotografie

Abb. 4.6: Fliegender Aufbau der Fünffach-Test­schalt­ung zur testweisen Belastung eines Har­ley Ben­ton Power­plant Junior – Mess­schalt­ung entsprechend Abbildung 4.5

Jeder der Ausgänge des Har­ley Ben­ton Power­plant Junior kann wahlweise mit 300 Ω (Ausgangs­strom 30 mA – entspricht „normaler“ Be­lastung durch Verzerrer etc.) oder, mit zusätzlichem Wider­stand 100Ω, mit 75 Ω (Ausgangs­strom 120 mA) belastet werden. 

Mit dieser Test­schalt­ung wurden die Ausgangs­spannungen am Har­ley Ben­ton Power­plant Junior mit gemessen – beginnend mit einer Grundlast von 300 Ω pro Ausgang wurde ein Ausgang nach dem anderen auf 75 Ω Last umgestellt.  Alle Ausgangs­spannung wurden jeweils nach der Last­um­schalt­ung und nach etwa zwei Minuten gemessen.  Abschließend wurden noch die Leer­lauf­spannungen über­prüft.  Die folgende Tabelle 4.1 fasst die Ergebnisse zusammen: 

Tab. 4.1:  Ausgangs­spannungen eines Har­ley Ben­ton Power­plant Junior bei unter­schied­licher Be­lastung der Ausgänge.  Test­schalt­ung entsprechend Abbildung 4.5Wichtig:  Es wurden nur die Gleich­spannungen ge­messen, kein Brummen etc.!
– Ausgänge – – Ausgangs­spannungen – Last­strom
Last
300 Ω / 75 Ω
UA,1 UA,2 UA,3 UA,4 UA,5 IA,gesamt
1–5 /  –  9,00 V 8,65 V 9,06 V 9,12 V 8,99 V 149 mA
2–5 / 1   8,50 V 8,63 V 9,06 V 9,13 V 9,00 V 233 mA
3–5 / 1–2 8,08 V7,55 V 9,05 V 9,12 V 8,99 V 299 mA
4–5 / 1–3 7,60 V7,36 V7,96 V 9,12 V 8,99 V 366 mA
  5 / 1–47,15 V7,09 V7,50 V7,76 V 8,99 V 423 mA
  – / 1–5 6,84 V6,79 V7,17 V7,42 V6,81 V467 mA
– Leerlauf – 9,02 V 8,90 V 9,08 V 9,16 V 9,01 V  – 

In folgender Abbildung 4.7 wurden die gemessenen Ausgangs­spannungen noch einmal in einem Diagramm zusammen­gefasst. 

EXCEL-Diagramm

Abb. 4.7: Grafische Darstellung der Mess­werte aus obiger Tabelle 4.1 der Unter­suchung eines Har­ley Ben­ton Power­plant Junior mit einer Mess­schalt­ung entsprechend Abbildung 4.5

Auffällig ist zunächst die recht kleine Spannung an Ausgang 2.  Um zu überprüfen, ob es sich hier nicht um einen Fehler im Aufbau handelt, wurden die Anschlüsse der Test­schalt­ung am Prüf­objekt vertauscht – „der Fehler wanderte nicht mit“; d. h. der Fehler liegt im Prüf­objekt.  Weiter­hin wurde nur dieser Ausgang mit 300 Ω und die anderen über­haupt nicht belastet, wonach die Spannung am Ausgang 2 sich nicht wesentlich änderte.  Selbst im Leer­lauf war die Spannung an diesem Ausgang geringer als die an den anderen Ausgängen.  Weiterhin fällt in Abbildung 4.7 auf, dass es ein bestimmtes „Fehler­muster“ der leicht unter­schied­lichen Spannungen an den Ausgängen gibt, welches auch bei großer Last und im Leer­lauf bestehen bleibt. 

Abgesehen vom „schwierigen“ Ausgang 2 sind die Ergebnisse recht ein­deutig:  Sobald auch nur ein Ausgang nicht nur mit 300 Ω, sondern mit 75 Ω (ent­sprechend der aus­ge­wiesenen Maximal­last von 120 mA) belastet wurde, kann eine Aus­gangs­spannung von 9 V an diesem Ausgang nicht gehalten werden, was darauf schließen lässt, dass die am Elko hinter der Graetz­brücke geglättete Spannung unter den Spitzen­wert einbricht und dann zu gering ist, als dass der Längs­regler noch sinn­voll arbeiten könnte. 

Weiter­hin sinkt die Ausgangs­spannung aller stärker belasteten Ausgänge mit der Ver­größerung der Gesamt­last weiter.  Schließlich wurde nicht nur fest­gestellt, dass die ver­minderten Ausgangs­spannungen mit steigender Last an anderen Ausgängen weiter sanken, sondern auch, dass sie nach einer Warte­zeit von zwei Minuten nach den Um­stellungen noch einmal um ein oder mehrere zehn Milli­volt gefallen waren.  Ersteres lässt auf einen über­lasteten Trans­formator schließen, letzteres auf thermische Probleme bei der starken Belastung. 

Dabei muss noch einmal darauf hin­ge­wiesen werden, dass hier lediglich Gleich­spannungen (bzw. deren Mittelwerte) gemessen wurden.  Wie „sauber“ bzw. brummfrei die Ausgangs­spannungen waren, konnte so nicht festgestellt werden. 

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Um zu einem Fazit zu kommen

Zunächst muss zunächst darauf hin­ge­wiesen werden, dass das getestete Exemplar des Har­ley Ben­ton Power­plant Junior relativ alt ist – es wurde Anfang der „zehner Jahre“ gekauft.  Eine entsprechende Anfrage wurde an Thomann gesendet – in der Antwort hat Thomann bestätigt: „Nein, das Netzteil wurde in den letzten Jahren nicht technisch verändert.  Der Trafo ist nach wie vor der gleiche.

Nun aber weiter im Fazit:  Im Grunde hat die Test­messung gezeigt, dass das durchaus überzeugende Konzept des Har­ley Ben­ton Power­plant Junior in diesen Gerät u. U. an dem zu klein dimensionierten Trans­formator leidet.  Es mag sein, dass ein solches Gerät bei vielen Anwendern ohne Probleme funktioniert, soll heißen, der angegebene Maximal­strom von 120 mA pro Ausgang mag für manche Anwendungen auch außerhalb allen Bedarfs liegen, und diese Anwender könnten mit ein paar Effekten (z. B. von den Tabelle 3.1 im letzten Kapitel auf­ge­liste­ten BOSS-Effekten) über­haupt keine Probleme haben. 

Jedoch begannen die Spannungs­einbrüche bei der Test­messung schon, als lediglich ein Ausgang voll belastet wurde.  Und eine solche Anwendung ist gar nicht so theoretisch – einen Strombedarf von bis zu 100 mA hat bei­spiels­weise schon ein BTDR-Hallschaltkreis (von Belton bzw. Accu­tronics), der in vielen einfachen digitalen Gitarren­hall­geräten verwendet wird. 

Insgesamt hat die Test­messung die Ver­mutungen, die sich aus der geringen an­ge­geben Aus­gangs­spannung des internen Trans­formators ergeben haben, bestätigt.  Ein Trans­formator mit Sekundär­spannungen von 5 × 15 V anstelle von 5 × 12 V und entsprechend größerer maximaler Über­tragungs­leistung könnten das Problem durchaus lösen.  Allerdings ist das kein Bastel-Job – dafür ist wohl ein Anbieter wie der Versand­händler Thomann (bzw. der ent­sprech­ende Her­steller) quasi „alternativlos“, da ein Einzel­anwender oder ein kleiner „Boutique“-Hersteller kaum groß genug ist, einen so speziellen Trans­formator mit fünf gleichen Sekundär­wicklungen in wirtschaftlich sinnvollen Stückzahlen fertigen (lassen) zu können.  Dazu kommt: mit einem anderen Trafo mit größeren Sekundär­spannungen ist es u. U. nicht getan sein – dadurch würden sich auch die Spannungen und die Leistungen, die an den Dreibeinern abfallen, deutlich erhöhen und letztere müssten ggfs. einen Kühl­körper bekommen. …

Vielleicht ist es sinnvoller, das Har­ley Ben­ton Power­plant Junior als kleines, gut isoliertes Netzteil insbesondere für vorgeschaltete, von Natur aus brumm­empfindliche Effekte mit geringer Stromaufnahme (Verzerrer, Kompressor) einzusetzen mit der Arbeitshypothese, dass der gesamte Ausgangs­strom des Gerätes 120 mA nicht überschreiten sollte.