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Ein 120W-Bassverstärker

 

von Peter Rachow

Vorgestellt wird ein Audioverstäker, der eine Ausgangsleistung von > 120 Watt an einen 4 -Lautsprecher abgeben kann und dessen Klangregelung für die Wiedergabe eines E-Basses optimiert wurde. Außerdem wird ein Audiokompressor beschrieben, der das Ausgangsignal regeln kann.

Vorwort

Es ist bekanntermaßen um einiges schwieriger, für einen Bass einen hohen Schalldruck aus einem Lautsprecher zu prodzieren als für eine elektrische Gitarre. Aus diesem Grunde habe ich bei der Konstruktion des im Folgenden beschriebenen Verstärkers folgende Leitprinzipien im Auge gehabt:

  • Hohe Ausgangsleistung > > 100 W
  • Dauerbelastbartkeit
  • Extrem geringe Verzerrungsrate auch noch bei Vollaussteuerung im Bereich von P out =120W
  • Hohe Nachbausicherheit durch Verwendung von Standardbauelementen.
Hinweis: Wer die Schaltung nachbauen und optimale Ergebnisse erzielen will, benötigt unbedingt einen Sinusgenerator und ein Oszilloskop um das Verhalten des Verstärkers analysieren und ggf. verbessern zu können.

1. Vorverstärker mit Klangeinstellung

Die Schaltung offenbart keine Besonderheiten. Es handelt sich um einen 4-stufigen Verstärker mit 2 bipolaren Transistoren (BC 547 o. ä.) als ersteund letzte Stufe und einem dualen Operationsverstärker (LM 358). Das NF-Signal des Basses durchläuft zuerst den Vorverstärker. Charakteristisch für diese Stufe ist die Gegenkopplung am Emitter, die durch einen 330 -Widerstand erzeugt wird. Dadurch sinkt der Verstärkungsfaktor zwar geringfügig ab, jedoch verbessert sich die Linearität im Bezug auf Signalverstärkung und den Frequenzgang erheblich. Da die gesamte Einheit eine mehr als ausreichende Durchgangsverstärkung hat, ist der Verlust an Verstärkungsfaktor durchaus zu verkraften.

Am Ausgang dieser Stufe findet sich dann eine schaltbare Höhenabsenkung, die durch einen Kondensator 0.1uF realisiert wurde. Das Signal gelangt nun auf den Eingang des ersten OPs des LM358. Nach der Verstärkung trifft es auf ein Netzwerk, das in die Gegenkopplung des zweiten OP eingebunden ist (zwischen nicht-invertierendem Eingang und Ausgang des OP). Hier werden je nach Stellung der 3 Regelwiderstände die Tiefen, Mitten und Höhen des Tonsignals entsprechend mehr weniger stark gegengekoppelt und damit abgeschwächt. Auf den Ausgang dieses OP folgt nach dem Lautstärkeeinsteller (Potenziometer 10k ) eine abschließende Verstärkerstufe (ebenfalls wieder im Emitter gegengekoppelt), die das Signal dann dem Endverstärker zuführt. Diese Gegenkopplung ist mit einem Poti von 100 realisiert. Beim späteren Einmessen des gesamten Verstärkers wird dieses Poti so eingestellt, dass die Verzerrungen infolge Erreichens der Sättigung, die vom Vorstärker ausgehen, in etwa bei der gleichen Ausgangsleistung einsetzen, bei der der Endverstärker ebenfalls in die Sättigung kommt. Zur Beobachtung dieser Phänomene sind die vorher beschriebenen Messgeräte erforderlich. Man gibt ein Sinussignal (U=0..1V eff ., f=100 Hz) auf die Anlage und beobachtet das Ausgangssignal: Die Sättigung des Vorverstärkers wird dann erkennbar sein an einer sich bildenden Sägezahnform der Ausgangssignalkurve bzw. leichten "Ecken" oder "Zacken" im Kurvenverlauf die dort nicht hingehören. Der Endverstärker sättigt dagegen erkennbar durch Abschneiden der oberen und unteren Kurvenhülle nahe dem Spannungsmaximum.

Die Stromversorgung der Baugruppe beträgt intern 12V. Sie wird generiert aus einer Spannung von ca. 16V. Da der Endverstärker eine doppelte Spannungsversorung benötigt (Ub = +/-36V bis +/- 42V, siehe unten), wird die niedrige Eingansspannnung durch Einschalten eines Vorwiderstandes im positiven Zweig der Hauptverstärkerversorgung erzeugt (vrgl. Schaltplan: hier wurde ein Widerstand R=560 eingebaut, weil ich das Gerät mit einem 7812 betreibe, der einen höheren Ruhestrom aufweist als ein 78 L 12). Zur Ermittlung des korrekten Wertes des Vorwiderstandes misst man die Stromaufnahme des Vorverstärkers und den Ruhestrom des Spannungsreglers an einem regelbaren Netzteil (U ca. 16V), addiert beide und errechnet sich dann den notwendigen Vorwiderstand für die Spannung von +Ub.

Achtung: Ein Spannungsregler wie der 78(L)12 darf nicht direkt an die hohe Spannung von +Ub angeschlossen werden, da sonst seine Leistungsaufnahme zu hoch bzw. die höchste zulässige Eingangsspannung (max. 35V!) überschritten würde.

2. Der Endverstärker

Auch diese Schaltung ist weitgehend unkritisch. Ein paar Bemerkungen trotzdem:

Zuerst etwas Allgemeines: Die Schaltung enthält die bekannten Prinzipien für leistungsstarke NF-Verstärker: Ein Differenzverstärker im Eingang, eine darauf folgende Konstantstromquelle zur Einstellung des Ruhestromes, dann bipolare Komplementärtransistoren in Treiber- und Endstufe etc.  Das Ganze wird gespeist aus einer dualen Stromversorgung von +/-36 V (ergibt P out ca. 100W) bis +/- 42V (ergibt P out ca. 130W).

Weiterhin erwähnenswert erscheint mir:

a) Die 4 Endstufentransistoren sollten auf einem möglichst großen Kühlkörper unter Zwischenlage der Gehäuserückwand (Alu) montiert werden.

b) die beiden Treibertransistoren (BD 139, BD 140) können auf kleinen Winkelkühlblechen, wie sie im Handel für diese Transistorgehäuse angeboten werden, direkt auf die Platine montiert werden. Sie produzieren relativ wenig Wärmeleistung, daher ist dieser Punkt unkritisch.

c) Die Einstellung des Ruhestromes wird mit dem 5k -Poti vorgenommen. Man misst den Spannungsbfall über dem 0,1 -Widerstand zwischen der Mittelleitung und den Kollektoren der Endstufentransistoren und rechnet mit der Formel I=U/R dessen Höhe aus. Er sollte ca. 50 bis 80 mA betragen.

d) Die 0.1 -Widerstände an den Endstufentransistoren und der 5.6 -Widerstand am Ausgang sind Hochlast-Drahtwiderstände mit einer Leistungsaufnahmekapazität > = 5 W. Alle anderen Widerstände der Leistungsstufe sind 1-Watt-Typen, in den Vorstufen sind 0,25 W-Typen ausreichend.

Testen der Schaltung

Der Endverstärker wird mit einem Hochlastwiderstand 4 /50 Watt (evtl. mehrere Einzelwiderstände, z. B. 7 x 27 => 3.8 parallel zusammen schalten) anstatt eines Lautsprechers abgeschlossen und zusätzlich mit einem Osilloskop bebachtet. Statt der Sicherungen in den Stromleitungen setzt man ebenfalls Hochlastwiderstände (10 /10Watt) als Schutzwiderstände ein und schließt die Schaltung an eine doppelte Stromversorgung von ca. +/- 30 V an. Der Eingang des Verstärkers wird mit einem sinusförmigen Signal von ca. 400 Hz und ca. 100 mV U eff. "gefüttert". Am Ausgang muss nun ein sinusfürmiges Ausgangssignal von nur wenigen Volt (ca. 1-2 V U eff. ) erscheinen. Eine hohe Aussteuerung ist bei dieser Beschaltung natürlich nicht möglich, da der Spannungsabfall an den Schutzwiderständen zu groß ist und der Endverstärker eine nicht unerhebliche Stromaufnahme verursacht.

Arbeitet die Schaltung einwandfrei, werden die Schutzwiderstände entfernt und durch die angegebenen Sicherungen ersetzt. Nun sollte bei voller Aussteuerung (ca. 1 V U eff am Eingang) und 4 Lastwiderstand am Ausgang dort eine Spannung von ca. 22V U eff. erscheinen. Daraus ergibt sich nach der Formel P=U²/R eine Ausgangsleistung von 484V²/4 = ca. 120 Watt.

3. Der Audiokompressor

Aufgabe dieser Schaltung ist es, die Aussteuerung des Verstärkers zu erhöhen, wenn die Saite ausschwingt und dadurch die Eingangsspannung am Verstärkereingang zurück geht. Das "Sustain" des Tones wird dadurch verlängert. Diese Schaltung arbeitet ebenfalls wieder mit dem Dual-OP LM 358. Beide Verstärker des OP werden parallel betrieben. Die erste Stufe steuert mit dem Einganngssignal einen NPN-Schalttransistor der eine Lampe 12V/0.1 A betreibt. Diese ändert daraufhin ihre Lichtstärke linear zum Eingangssignal. Im Lichtweg dieser Lampe liegt ein LDR, der in die Gegenkopplungsleitung des zweiten OP geschaltet ist. Dieser verstärkt das Eingangssignal nun in Abhängigkeit der Lichtstärke der Lampe. Geht die Eingangsspannung am 1. OP zurück, wird die Lampe dunkler, der Widerstand des LDR am zweiten OP erhöht sich, dadurch sinkt die Gegenkopplungsrate ab und die Verstärkung steigt an. Aufgrund des "Optokopplers" in der Schaltung muss der Audiokompressor von Fremdlicht abgeschirmt betrieben werden.

4. Das Netzteil

Auf eine Beschreibung eines Netzteiles für die doppelte Stromversorgung verzichte ich bewusst. Es gibt sehr viel Schaltungen im Netz. Die Anforderungen seien kurz umrissen:

a) Leistung ca. 200 W Minimum (also ist für einen ausreichend großen Trafo zu sorgen!)
b) Ausreichende Siebkapazität (C > = 2 x 4700 uF).
c) Gleichrichter mindestens 100V/50A und direkt am Gehäuse (Kühlung ist alles!) zu montieren.

Dass bei einem derart kritischen Teil wie einem Netzteil sehr sorgfältig und nach den Regeln der Elektrotechnik gearbeitet werden muss, ist selbstredend. Auf diesen speziellen Fall übertragen bedeutet dies u. a.:

  • Der Transformator wird primärseitig mit einer Sicherung (2 A mittelträge) bei Kurzschluss von Netz getrennt.
  • Das Erdpotenzial liegt am Gehäuse.
  • Es wird ein Kaltgerätestecker nebst Buchse verwendet.
  • Alle Lötstellen und Anschlüsse die Netzspannung führen, werden mit Isolier- oder besser Schrumpfschlauch gegen unbeabsichtigte Kontakte und Berühren geschützt.
5. Tipps

"Brummschleifen"

Ein häufig wiederkehrendes Problem bei leistungsstarken Niederfrequenzverstärkern sind "Brummschleifen". Sie entstehen, wenn eine Baugruppe (beispielsweise der Vorverstärker) Massepotenzial über verschiedene Wege erhält. Dies kann z. B. der Fall sein, wenn die Baugruppe 0 V einerseits über das Metallgehäuse erhält und andererseits über die Abschirmung eines Niederfreuqenzkabels, das masseseitig auch an einer anderen Baugruppe angeschlossen ist. So werden 50 Hz-Spannungen aus dem Netzteil in die NF-Leitungen induziert, die sich als Brummen im Lautsprecher bemerkbar machen. Gegenmaßnahme: Jede Baugruppe erhält Masspotenzial nur über einen zentralen Punkt. Man muss allerdings nicht so weit gehen, wei man es gelegentlich in der Literatur beschrieben sieht, dass also alle Masseverbindungen über Kabel sternförmig von einem Punkt (z. B. am Netzteil) geführt werden. Ich habe beim vorliegenden Verstärker die gesamte Masse als 0-Potenzial am Gehäuse liegen und versorge hiermit alle Baugruppen mit GND. Die Abschirmung von NF-Leitungen löte ich stets nur an der abgebenden Baugruppe an. Auch bei voll aufgedrehtem Lautstärkeregler ist bei angeschlossenem Instrument kein Brummen sondern nur das Rauschen der Transistoren und der OPs des Vorverstärkers hörbar. Störend tritt dies allerdings nicht auf.

"Line-out"

Wird ein unabhängiger Ausgang benötigt, um z. B. ein Mischpult anschließen zu können, bietet es sich an, die abschließende Verstäkerstufe des Vorverstärkers ein zweites Mal aufzubauen und diese eingangsseitig der ersten parallel zu schalten.

Aussteuerungsanzeige

Eine Aussteuerungsanzeige mit LEDs (wegen der Trägheitslosigkeit) kann auf der Basis eines dafür als Standardteiles angebotenen ICs oder mit einer Kette von Operationsverstärkern, die als Differenzverstärker mit einer Kette von Spannungsteilern am Eingang geschaltet sind, realisiert werden. Eleganter geht es allerdings mit einem Mikrocontroller, da hier linear leistungs- und nicht unlinear spannungsbeozogen angezeigt werden kann. Die Baubeschreibung entsteht gerade.

Gehäuse

Wenn ein passendes Metallgehäuse nicht beschaffbar ist, tun es auch Alu-Zuschnitte und Winkelprofile aus dem Baumarkt, die zu einem Gehäuse zusammengesetzt werden (siehe Abbildungen).

Und nun: Viel Spaß beim Nachbauen!


Innenansicht: Die vier Endstufentransistoren in TO-218-Gehäuse sind an der Rückwand isoliert verschraubt, davor sind die Treiber und die Hochlastwiderstände zu sehen.


Innenansicht von oben.


Vorderansicht - Es wurde ein hier noch nicht
beschriebenes LED-Aussteuerungsmessgerät basierend auf einem Mikrocontroller ATMega8 und ein Audio-Kompressor eingebaut.


Ausgangssignal des Verstärkers bei f=120Hz und P out =140W an R Last =4

6. Ergebnisse

Ich betreibe den Verstärker mit einer ebenfalls selbstgebauten Box. Diese ist bestückt mit 2 Chassis Visaton BG30NG (8 , 12" Durchmesser, 150 W max. P) in Parallelschaltung. Die Box hat ein Volumen von ca. 100 Litern und ist mit einem Bassreflexrohr ausgrüstet. Das Gehäuse ist hergestellt aus 21mm-Spanplatten. Die Rückwand ist mit einer Mineralfaserplatte bedämpft. Der Verstärker gibt, "angetrieben" von einem Fender Precision Bass, an dieser Box einen angenehmen Sound ab, besonders wenn man die Bässe und Mitten mit den entsprechenden Einstellern betont. "Funky" ist allerdings anders ;-)) Fazit: Rundherum eine recht gut klingende Anlage, die zwar nicht den Druck von profesionellen Verstärkern mit P out > 200W erzeugen kann, die aber für den Bluesbassisten und für kleine Anlässe durchaus ausreichend ist und auf Effekte fast völlig verzichtet.  

Peter Rachow 2005