Single Ended Verstärker mit zwei Halbleitern in Klasse-A und zwei mal 40 Watt

Hallo zusammen,

ich entwickle derzeit einen zwei mal 40 Watt Single Ended Klasse-A Verstärker mit Ausgangsdrossel/übertrager und an Stelle der Vor- und Endröhre einen Vorstufentransistor und einen leistungsfähigen Endstufenmosfet. Die beiden Röhren werden quasi durch moderne Halbleiter ersetzt.

Meine Idee wäre den Klang einer Röhre mit Halbleitern so zu kultivieren, dass K2 Anteile gegenüber K3 dominieren und auch natürlich eine Einschaltverzögerung, Schutzschaltung etc auf einer einzigen Leiterplatte unterzubringen. Ein RIAA Verstärker einfachster Bauart und ein Signalquellenumschalter befindet sich auch an Board. Ein gefälliges Vintage-Gehäusedesign nach meinem Geschmack soll die Sache abrunden.

Damit der Verstärker bei leisem Musikhören nicht die vollen 250 Watt Verlustleistung verbrät, (bei zwei mal 60 Watt an 6 Ohm wofür ich den Amp am liebsten auslegen möchte) gibt es drei Einstellungen 1/10/60 Watt. Bei der kleinsten Leisehör-Einstellung von zwei mal 1Watt wird die Verlustleistung auf ingesamt 10 Watt reduziert. Das entlastet beim Leisehören deutlich den Geldbeutel….oder macht einfach ein besseres Gefühl….

Wie man sieht, es ist nix dran. Der OP (Operationsverstärker) dient zur Biaseinstellung, macht also 4-5A Gleichstrom durch die Drossel. Der OP trägt keinerlei Musiksignal. Falls ich dadurch disqualifiziert werde, dann nehme ich es hin und der Verstärker läuft halt nebenbei mit. Ich könnte statt des OPs auch eine Transistorstromquelle verwenden, mal sehen….

LG Sven

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Monsterkühlkörper…..und gleich zwei davon. Gleich darunter der (selbstentwickelte) Amp mit dem ich höre.

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Interessant, aber 60 Watt über nur einen Mosfet ?
Nimmst du einen IRFP260xxx dafür ?
Die Pass Aleph haben ja höheren K2

Zitat:

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Zitat von Olaf_HH

Interessant, aber 60 Watt über nur einen Mosfet ?
Nimmst du einen IRFP260xxx dafür ?

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120 Watt über einen Mosfet. Geht scho….entweder ein moderner TO-247 intern Isoliert oder unter Verwendung einer größeren Kupferplatte als Heatspeader.

LG Sven

Zitat:

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Zitat von SNT

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Damit der Verstärker bei leisem Musikhören nicht die vollen 250 Watt Verlustleistung verbrät, (bei zwei mal 60 Watt an 6 Ohm wofür ich den Amp am liebsten auslegen möchte) gibt es drei Einstellungen 1/10/60 Watt. Bei der kleinsten Leisehör-Einstellung von zwei mal 1Watt wird die Verlustleistung auf ingesamt 10 Watt reduziert. Das entlastet beim Leisehören deutlich den Geldbeutel….oder macht einfach ein besseres Gefühl…

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Schöne Idee. Quasi Class-H in Handschaltung.

Zitat:

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Wie man sieht, es ist nix dran. Der OP (Operationsverstärker) dient zur Biaseinstellung, macht also 4-5A Gleichstrom durch die Drossel. Der OP trägt keinerlei Musiksignal. Falls ich dadurch disqualifiziert werde, dann nehme ich es hin und der Verstärker läuft halt nebenbei mit. Ich könnte statt des OPs auch eine Transistorstromquelle verwenden, mal sehen….

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Du hast noch 8 Transistoren für die Biaseinstellung, sollte machbar sein ;) Alles andere ist gegen die Regel. Mach es doch so, für den Battle ohne IC und privat baust Du ihn wieder um.

LG Pat

Ja gut, ich versuche den Bias mit einem Transistor, gibt halt nen enormen Tempetaturkoeffizienten, oder ich verwende ne einfache diskrete Differenzverstärkerstufe.

LG Sven

Hab jetzt trotzdem den Bias mit einen OPV gemacht, auch wenn das die Disqualifizierung bedeutet. Ich habe zwar den Bias mit Transistoren hinbekommen, aber am Ende sind es drei Gründe, die mich wieder zurückbrachten.

1. Für einen stabilen sauberen diskreten Bias brauchte ich mehr Halbleiter als für den Verstärker selber (nur zwei Halbleiter) und das mal zwei wegen Stereo. Das erschien mir irgendwie unsinnig.
2. Verwende ich einen 4fach-OPV hab ich noch zwei Opamps übrig für Komfortfunktionen wie Einschaltverzögerung, Relaiskontrolle oder andere Sprirenzchen.
3. Am Ende zählt für mich nicht nur, dass der Verstärkerstufe selber wenig Bauteile hat, sondern der ganze Verstärker und der hat halt noch ein paar Funktionen mehr als üblich.

Mono hab ich bereits aufgebaut und für mich reichen 40Vss an ner 8 Ohmbox eigentlich schon aus, die Planung ist aber 60Vss. Aktuell kann ich sowohl über ein übliches Lautstärkepoti als auch über ein Gegenkopplungspoti die Lautstärke einstellen. Auf diese Weise kann man die Lautsprecherkontrolle in gewissen Grenzen einstellen.

LG Sven

Der erste Testaufbau (Mono) schaut noch sch…. aus, klingt aber gut :) K2 ist größer als K3 und alles erheblich unter dem Klirr einer Röhre und erheblich kleiner als 0,1% kurz vor Vollaussteuerung. Das Bild ist nicht das Aktuelleste, da das Gegenkopplungspoti fehlt, aber wie ihr seht ist nix dran, kracht auch nix beim Netzstecker reindrücken und abziehen, es bräuchte aktuell eigentlich nicht mal ein Relais mit Einschaltverzögerung am Ausgang.

Ach so, ich vergaß zu erwähnen. Ich habe jetzt zwischen den beiden Transistoren eine Gleichspannungskopplung realisiert, also ein paar Kondensatoren entfernen können. Minimalistischer geht es kaum…Kurzschlußfest ist es ohnehin durch den Ausgangselko, der im übrigen kein Manko ist. Man könnte den Kondensator auch gleich als GHP dimensionieren.:-)


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Hallo,

der MOSFET auf dem Kühlkörper ist schon ein wenig verloren, nicht? Der Kühlkörper wird in der Mitte warm und nach außen hin immer kälter. Ich rate dringend zu 'nem Heatspreader, z. B.:

Anhang 69846

Ja selbstverständlich! Da ist nur ein aller erster Funktionsprototyp. Der Mosfet trägt aktuell auch nur 80Watt Verlustleistung. Genau so ein gezeigter Kupfer-Spreader wird später auch eingesetzt, zumal aktuell noch die erforderliche ‚Glimmerscheibe‘ zur. e. Isolation fehlt. Hauptziel des Speaders ist nicht die Temperaturverteilung im Alukühlkörper zu verbessern, sondern über die große Fläche einen möglichst geringen Rth der eingefügten Isolationsfolie zu realisieren, die üblicherweise das Nadelöhr ist. Ein Klasse-A Amp ist an der Stelle immer eine Herausforderung in der Kühlung der Leistungshalbleiter. Da möchte ich am Ende thermisch das Maximale an einem TO-247 Mosfet herausholen.

Ziel ist es mindestens 120Watt an einem TO-247 Gehäuse umzusetzen und zwar el. isoliert. Das allein funktioniert nur mit dem Spreader der dann zum KK eletrisch isoliert ist und auch nur mit speziellen Mosfets an dem doch dafür noch recht klein bemessenen Kühlkörper.

Aktuell kam es mir nur auf einen möglichen Eigen-Klang und das praktische Verhalten (Einschalt usw.) an, deswegen vorerst einfach mal draufgeklatscht und für die 80Watt würde es sogar passen.

Ich bin mir bei dem im Mosfet-Datenblatt angegebenen Rcs nicht sicher, also der thermische Widerstand der Mosfetgehäusekühlfläche hin zur Aluoberfläche des KK. Ich vermute mal der Rcs ist bezogen auf eine geschliffene Aluoberfläche ohne Wärmeleitpaste….der Datenblattwert ist denke ich eher mit verhältnismßig hoher Toleranz zu betrachen und man kann da noch erheblich was über die Aluoberfläche, Anpressart (Klammer) Paste etc. rausholen. Stimmt das?

LG Sven

Hallo Sven,

eine Wärmeübergangswiderstandsangabe Case-Sink ist ungewöhnlich, normalerweise sind nur zwei Werte angegeben: Rjc von der Sperrschicht zum Gehäuse und Rja von der Sperrschicht zur Umgebung. Welchen MOSFET setzt Du ein?

Der Übergang MOSET zum Heatspreader ist der kritischste, weil der mit der kleinsten Fläche. Ich würde diesem Übergang daher die größte Aufmerksamkeit zukommen lassen und eventuell auch die Auflagefläche auf dem Heatspreader nochmals planfräsen (lassen). Gute Wärmeleitpaste verwenden, irgendein sündteures Schlangenölzeux ist aber überflüssig. Den MOSFET nicht zu fest anziehen, sonst wölbt er sich und die Auflagefläche wird wieder kleiner. Evtl. mit Drehmomentschrauber anziehen -> https://www.onsemi.com/pub/collateral/and9859-d.pdf

Die elektrische Isolierung würde ich dann, wie Du es vorhast, zwischen Heatspreader und Kühlkörper vornehmen. Dort ist die Fläche wesentlich größer und der Übergang daher bedeutend unkritischer.

Hier ein Beispiel:

https://www.littelfuse.com/media?res...0n50-datasheet

bei vielen Mosfets so spezifiziert.

Rthjc ( Junction - Case) = 0,13
Rthcs ( Case - Sink) = 0,15

Mir klar, dass der Hersteller Rthjc spezifizieren kann da er ja das Teil herstellt, aber für Rthcs müssten imho schon Bedingungen festgelegt werden, zB die Planarität, irgendeine Paste dazwischen oder blank und Anpresskraft etc…Mal sehen, sehr wahrscheinlich irgendein Standard. Wir machen in der Arbeit nur SMD.

Gruß von Sven

Zitat:

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Zitat von SNT

Hier ein Beispiel:

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Das sehe ich tatsächlich jetzt zum ersten Mal. Ich habe mir die letzte halbe Stunde auf der Littlefuse-Seite 'nen Wolf nach dem Standard gesucht, mit dem sie den R_thcs bestimmen - erfolglos. 0,15 K/W sind schon sehr wenig, das geht ohne Wärmeleitpaste und exakt plangeschliffenen Flächen nicht mehr.

Warum hast Du eigentlich nicht mehre Transistoren parallel geschaltet? Damit schalten sich auch R_thjc und R_thcs parallel und der Kühlaufwand sinkt.

Nun, meine persönliche Herausforderung ist es, mit so wenig wie möglichen Halbleitern einen für mich ausreichend guten Verstärker zu bauen. Alles andere, normale ist meines Erachtens unattraktiv, weil ich grundsätzlich nur Sachen bauen möchte, die es sonst so noch nicht so gibt, obwohl das eigentlich unmöglich ist. Ich bin mir sicher, dass im Audiobereich schon (fast ;-) alles schon ausprobiert wurde.

Einen Verstärker mit einem Grab an Komponenten und Stromspiegeln zu bauen ala Douglas Shelf ist kein Ansporn, weil

A) es aus meiner Sicht reine Zeitverschwendung ist, genau so einen Verstärker zu bauen, wie von den Profis auf aller Welt immer nach dem gleichen Schema entwickelt wird (den kaufe ich mir lieber für 300€) und

B) weil ich eigentlich einfach einen Verstärker bauen möchte, dessen Topologie einem SE Röhrenverstärker gleicht, an Stelle von Röhren aber Halbleiter eingesetzt werden und einen guten Klang mit möglichst wenig aktiven Komponenten zu bekommen….….also mich mal an was Besonderen zu versuchen, ohne mir jetzt typisch entwicklermäßig gleich ein (unnötiges) 0,00001% Klirrziel zu setzen.

C) Vergleichsweise hohe Audioleistungen in ‚Röhrenquasitechnik‘ erzeugen kann. Aktuell habe ich ca 30Watt Klass-A in quasi RöhreSE. Das entspricht pro Kanal jetzt schon 2-3 Stück EL34 und das macht schon Laune, erst recht wenn man dabei den winzigen Minimalaufbau betrachtet. Der ‚Sound‘ liegt etwa zwischen einem modernen Verstärker und einer SE Klass-A Röhre und zwar einstellbar - messtechnisch. Gehört hat ich aktuell noch keine Unterschiede…ich hab aber auch bisher insgesamt nur 2 Stunden reingehört.

Eine Parallelschaltung wäre möglich, würde aber die Anzahl der Komponenten erhöhen. So einfach ist es. Mein Verstärker funktioniert mit zwei Halbleitern und das meiner Meinung nach ganz ausgezeichnet.

Die Schaltungstoplogie hat für Klasse-A einen fast doppelt so hohen Wirkungsgrad ( im Vergleich zu typischen PASS Schaltungen mit einfacher Konstantstromquelle) und macht daher die doppelte Audioleistung am gleichen Kühlblech. Außerdem kann ich Gegenkopplung und Biasstrom einstellen, da ich für Hintergrundmusik jetzt in moderen Zeiten sensibel genug bin und bei Hintegrundgedudel keine 300 Watt verbraten möchte.

PASS kennt das alles sicherlich besser, ich denke aber er empfindet eine Arbeitsdrossel irgendwie unattraktiv - ich eben überhaupt nicht, weil ich mich hauptberuflich seit 2 Jahren mit Transformatoren und Drosseln beschäftige und mich auch mit der SPICE Modellierung von magnetischen Materialien am Computer beschäftige. Ich finde diese Eisenschweine einfach nur gut. Das Ding überlebt mit 100% iger Sicherheit die nächsten 50 Jahre. Und von wegen Bass, den sehe ich definitiv als eine der Stärken dieser Technologie…. außer im Clipping.

Gruß von Sven

Hallo Sven,

Zitat:

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Zitat von SNT

Eine Parallelschaltung wäre möglich, würde aber die Anzahl der Komponenten erhöhen.

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Dafür aber die Kühlung vereinfachen. Manchmal muß man einfach pragmatisch sein und die Prinzipien Prinzipien sein lassen 😉.


Viele Grüße
Robert

war Doppelt.........

Moin
wenn ich mir das neue Schaltbild mal so anschaue, dann ist das kein AÜ, sondern eine Stromdrossel .
Hatte da fasch geschaut und dachte Du baust einen SE Amp mit AÜ.
Das wäre für mich ein Röhrenamp statt mit Röhren mit Halbleiter. Und die Fets können ja auch hohe Spannungen.
wenn ich in den Pass ACA eine Droßel in die Plus Leitung lege, ist das doch dasselbe, oder verstehe ich da was falsch ?

@Robert: nenene, ich nehm nur einen, weils funktionieren wird. Ansonsten müsste ich mir auf das Argument der nicht perfekten Balancierung zwischen den Mosfets untereinander was einfallen lassen, am Ende die Mosfets noch zueinander selektieren ezeterapp.

@Olaf: Der Vorteil von Halbleitern ist, dass sie keine hohe Spannungen benötigen und das nutze ich auch, weil Mosfet an höheren Spannungen vergleichsweise keinen Vorteil bieten würde. Aktuell ist für 8 Ohm Betrieb nur eine Drossel drinnen, für den Anschluß von 4 Ohm Boxen plane ich eine Drossel-Anzapfung zur Widerstandstransformation von 4 auf 8 Ohm (das wäre dann ein Trafo, daher nenne ich das Ding auch auch AÜ). Der Mosfet sieht quasi immer ne 8 Ohmbox und die Topologie schafft immer die gleiche Leistung sowohl an 4 als auch an einer 8 Ohm Box, vorausgesetzt die Box ist an der entsprechenden Buchse angeschlossen. Ohne diese Maßnahme bringt der Verstärker an einer 4 Ohm Box nur die halbe Ausgangsleistung weil der Strom begrenzt ist. P = I^2•R. Also das gleiche Szenario wie beim Röhrenverstärker.

Der Nachteil dieser reinen Stromquellenschaltungen mit Halbleiterstromquelle (PASS ZEN) oder Arbeitsdrossel (bei mir) oder sagen wir einfach generell auch Klasse-A Betrieb, ist die Begrenzung des Stromes. Ein traditioneller AB Verstärker kann erheblich höhere Spitzenströme liefern, aber das wäre ja kein A-Betrieb mehr.

Die Ausgangsspannung ist natürlich noch immer zusätzlich über die Versorgungsspannung begrenzt. Mittlerweile gibts auch PASS Schaltungen, wo dem Stromquellentransistor ( er macht ursprünglich die Stromquelle aktiv über einen verlustbehafteten Halbleiter während ein anderer Halbleiter das Audiosignal trägt. Bei meiner Schaltung macht ein Halbleiter beides und die Spule ist eine verlustarme Stromquelle) das Audiosignal überlagert wird. Da kann dann anders aussehen.

Eine große Drossel in die Plusleitung ist wohl eher eine Siebdrossel als eine Arbeitsdrossel. PASS ACA sagt mir aktuell nix, da muß ich erst nachsehen.

Nachtrag: Beide Mosfets tragen hier das Audiosignal, der eine enthält einen mit Audio angesteuerten Mosfet und der andere Mosfet ist eine Stromquelle, dem zusätzlich das Audiosignal überlagert wid (bootstrapped). So ist es richtig, hoff ich auf die schnelle. Schaut ein bisserl komplex auf den ersten Blick aus. Aber da steckt mehr dahinter als ich in 5 Minuten rauslesen kann. Ich denke aber, dass beide Transistoren das Audiosignal steuern, also im Endeffekt klassischer A Betrieb - gleicher Wirkungsgrad wie bei mir.

Beim PASS-ACA darfst du keine Drossel in die Plusleitung (also Drain vom oberen Mosfet) einlegen. Der Amp braucht an seinen Versorgungsanschlüssen definitiv nen großen Kondensator.

LG Sven

Hallo Sven, mach mal und lass dich nicht beirren. Je mehr man auf das Gerede von andern hört umso schlechter wird es und es wir nie fertig. Machmal!!

Ich mach scho wie ich möchte, hab aber nichts gegen ein bisschen Feedback und Empfehlungen. Ist doch eh alles nur Spass und eigentlich Spielerei….

LGvSven

Hallo,

würde die Parallelschaltung eines weiteren Mosfets im ersten Schritt nicht auch eine Erhöhung der (gesamt) abzuführenden Leistung bedeuten?

Weil:
Der müsste ja auch eine entsprechende Bias bekommen um für das CLass-A in den linearen Bereich zu kommen.

Insgesamt würde das die Effizenz (sofern man da bei Class-A von sprechen will) wieder etwas verschlechtern; oder stehe ich hier auf dem Schlauch?

Gruß

Nico

Man hätte beim parallelschalten mehr Freiheitsgrade die Verluste auf dem Kühlkörper und in den Mosfets zu verteilen. Ich denke zwei mal 50 Watt Klasse-A ( das entspricht in etwa dem Einsatz von 4 Stück EL34 pro Kanal) ist ausreichend und das bekomme ich auch knapp mit nur einem Mosfet entwärmt.

Im Gegensatz zu den ‚linearen’ oder lateralen Fets, die zwar im TO-247 eine mords Kühlfläche aufweisen, bekommen moderne ‚enhanced’ Powermosfets erheblich mehr Wärme weg, da wohl der Chip erheblich größer ist. Ich verfolge nicht das Konzept von PASS, der auf eine bessere Linearität wert legen (muß), da ihm die nötige hohe Gegenkopplung fehlt (Philosophiefrage) Ich setze auf eine Gegenkopplung - allerdings nicht so hoch wie bei einem modernen Verstärker. Daher müssen meine Mosfets nicht ganz so linear laufen (könnte ich aber trotzdem Linearisieren, was als zweiter Entwicklungsschritt geplant wäre falls nötig) dafür bekomme ich allerdings die Möglichkeit fast das theoretisch vierfache an thermischer Leistung abzuführen, was auch einem vierfachen der Verstärkerleistung entspricht.

Selbst wenn jeder Mosfet seinen eigen stabilen Arbeitspunkt bekommt, so ist die Transkonduktanz (Drainstrom / Gatespannung) unterschiedlich. Da alle Mosfets Gateanschlüsse beim Parallelschalten zwangsläufig zusammengeführt sind, liefert ein Mosfet mehr Strom als die anderen, was prinzipiell nicht soooo schlimm wäre. Das ist halt mehr Aufwand in der automatischen Ruhestromregelung und bei mehr Aufwand kann ich gleich nen Standardamp bauen.

Der Witz bei dem Verstärker ist die äußerst geringe Zahl an aktiven Komponenten und die Verwendung eines günstigen aber sehr guten Schaltnetzteils. Das Netzteil hat den Vorteil immer eine hohe Grundlast zu sehen, was nur geringe Anforderung an seine Regelqualität stellt. Es beinhaltet auch noch eine aktive Oberwellenkorrektur, und arbeitet daher letztlich im Audiobereich erheblich sauberer als jedes 50 Hz Netzteil, ist kompakter, leichter aufzubauen, preisgünstigerer, macht weniger Abwärme, hat ein geringeres Gewicht und braucht noch nicht mal nen Sack Kondensatoren um saubere Spannung zu liefern. High Tech halt.

Könnt quasi gleich daraus nen Class-D bauen, mach ich aber nicht.

LG Sven