E-Gitarren- Transistorendstufe 50W

Die Ausstattunsmerkmale meines Poweramp:

  • Microcontroller gesteuertes Menü
  • Digitale Potentiometer
  • Serielle Schnittstelle RS232
  • Steuerung durch Windowsprogramm
  • LCD Display
  • Pegelanzeige
  • Zwei Eingänge für E Gitarren
  • Ein Eingang für Mikrophone
  • Ein Analogausgang für Studioaufnahmen


Eines kann und möchte ich an dieser Stelle vorab sagen- die Entwicklung und Konstruktion dieses Verstärkers war das mit Abstand umfangreichste und anspruchsvollste Projekt, welches ich in meinem stillen Kämmerlein bisher realisiert habe. Nicht selten kam es während der Entwicklungsphase vor, daß ich beinahe alles völlig frustriert hingeschmissen hätte. Um so glücklicher bin ich natürlich heute, wenn ich mir täglich das Resultat ansehe- falsch- anhöre und mich mit meiner Klampfe so richtig "weg beame"!


Wichtige Aspekte für die Entwicklung eines Audioverstärkers

Gerade bei einem Verstärker ist die Qualität der Spannungsversorgung von entscheidender Bedeutung. Am Ausgang sind meist sogar geringste Brummspannungsanteile zu hören. Dieser Brummton ist das sogenannte "100Hz Brummen". Zugegeben, mir hat dieser Brummton ebenfalls einige Schwierigkeiten bereitet. Wie ich das gelöst habe, kann man bei der Beschreibung der Spannungsversorgung weiter unten nachlesen.

Weiterhin ist bei der Auswahl der Bauelemente äußerste Sorgfalt angeraten. Bei den Widerständen sollten nur Metallfilmwiderstände zum Einsatz kommen. Diese besitzen ein besseres Temperatur- und Rauschverhalten als Kohlewiderstände. Gleiches gilt für die Kondensatoren. Die Typen Polypropylen MKP oder Polyester MKT haben eine sehr gute Qualität bei steilen Signalflanken und hohen Frequenzen und sollten herkömmlichen Kondensatoren in jedem Fall vorgezogen werden.

Auf eine sehr saubere Maßeführung ist bei der Platinenerstellung ebenfalls zu achten. Die Nähe von hohen Frequenzen bzw. hohen Spannungen sollte vermieden werden. Alle IC's haben idealer weise die kürzeste Distanz zum "Maßeerzeugungspunkt". Bei Schwierigkeiten sollte die Leiterbahn des 0V Signals sternförmig verlegt werden.

Zuletzt sollte man wissen, daß eine E Gitarre Töne in einem Frequenzbereich von 80Hz bis 8000Hz erzeugen kann. Dies ist zunächst bei der Schaltungsentwicklung aber auch später bei der Auswahl der Lautsprecher wichtig.

Werden all die angesprochenen Punkte berücksichtigt, steht einer erfolgreichen Entwicklung in Sachen Audio nichts mehr im Wege. Einige Leser fragen sich möglicherweise , warum ich keine Effekte in meinem Verstärker integriert habe. Nun, die Antwort ist denkbar einfach, weil das Gebiet der E- Gitarreneffekte sehr komplex und anspruchsvoll ist. Informationen hierzu kann man auf dieser Seite von mir nachlesen.


Der Systemüberblick


In der o. a. Grafik sind die einzelnen Komponenten des Verstärkers noch einmal übersichtlich dargestellt. Die drei Eingänge werden zunächst über eine entsprechende Vorstufe an das System angeglichen. Diese drei Signale werden in der nachfolgenden Mischstufe zu einem Signal zusammengefasst. Anschließend folgt eine aktive Klangregelung für die Bässe, Mitten und Höhen. Das Microcontrollersystem ist hier ebenfalls über digitale Potentiometer angeschlossen. Die erste Endstufe sorgt nun lediglich für eine Signalanpassung und die zweite Endstufe für die Leistungsverstärkung. Am Ausgang können nun wahlweise 8 Ohm oder 16 Ohm angeschlossen werden. Eine detaillierte Beschreibung der einzelnen Schaltkreise folgt weiter unten.


Die folgenden Informationen stehen für einen Download zur Verfügung:
1. Schaltplan 1 von 4
2. Schaltplan 2 von 4
3. Schaltplan 3 von 4
4. Schaltplan 4 von 4
5. Platinenlayout Oberseite
6. Platinenlayout Unterseite
7. Positionen der Bauteile
8. Stückliste der Platine
9. Assemblerprogramm des Zilog Z8 Microcontrollers



Die Spannungsversorgung der Endstufe 2

In dem o. a Schaltbild ist die Spannungsversorgung der Endstufe 2 (Hauptendstufe) zu sehen. Ein entscheidendes Kriterium für ein gut klingenden Verstärker wird bereits hier erfüllt: Die geringe Brummspannung. Dazu habe ich einen hochwertigen Ringkern Transformator mit einem maximalen Sekundärstrom von 3A eingesetzt, der lediglich über den Stecker X6 die Versorgung der Endstufe 2 sicherstellt. Alle anderen Komponenten sind von dieser Spannungsversorgung getrennt. Über den Leistungsgleichrichter B1 wird die so gewonnene Gleichspannung von +/- 27VDC durch die Elektrolytkondensatoren C1 und C2 gepuffert und anschließend von C3 und C4 gegenüber hochfrequenten Störeinflüßen entkoppelt. Mit R49, C46 und dem Mosfet T4 ist für die positive Gleichspannung ein sogenannter "Kapazitätsvervielfacher" realisiert worden. Der Kondensator C46 bewirkt eine Filterung und dessen Wert wirkt um ein Vielfaches am Ausgang von T4 nach der Formel:

C = C46*(B+1)

Bei einer Gleichstromverstärkung B des Mosfet BD131 von typisch >50 ergibt sich eine Ausgangskapazität von 112mF ! Das gleiche Prinzip findet natürlich auch Anwendung für die negative Gleichspannung mit C47, R50 und T5. Beide Transistoren werden durch die Kühlkörper KK4 und KK5 auf einer betriebsicheren Arbeitstemperatur gehalten. Die geringe Brummspannung ist in der folgenden Grafik gut zu erkennen.

Mit 9,35mVss konnte der Brummanteil der +/-27VDC Gleichspannungsversorgung bei Vollast auf ein Minimum reduziert werden. Die beiden Transistoren T4 und T5 arbeiten hier als Emitterfolger und die Kondensatoren C48, C49, C50 und C51 werden zur weiteren Stabilisierung bzw. hochfrequenten Störsignal- Unterdrückung benötigt.

An den Sperrschichten der Leistungstransistoren fällt jeweils eine Spannung von 2VDC ab, so daß am Ausgang dieses Netzteils ca. +/-25VDC für die Endstufe zur Verfügung steht.





Die Spannungsversorgung aller übrigen Schaltkreise


Das zweite Netzteil in diesem Verstärker versorgt die Vorstufen, die Mischstufe, die Klangregelung, die Endstufe 1 und das Prozessorsystem. Somit sind all diese Schaltkreise von der Spannungsversorgung der Endstufe 2 entkoppelt, wodurch eine weitere Steigerung der Signalqualität erzielt wird. Die Eingangsspannung von 220VAC wird durch den Transformator TR1 heruntergeregelt, von den Dioden D14 bis D17 gleichgerichtet und mit Hilfe der Kondensatoren C52 und C53 gepuffert bzw. gegen Störungen geschützt. Der erste Festspannungsregler IC1 sorgt nun am Ausgang für konstante +12VDC, die als Versorgung der Audiostufen benötigt und nochmals durch C5 und C6 geglättet wird. Der zweite Festspannungsregler IC2 stellt ausgangsseitig mit +5VDC die Versorgung des Prozessorsystems sicher, wobei hier ebenfalls eine Siebung durch C49 und C51 durchgeführt wird. IC1 und IC2 werden weiterhin durch KK1 und KK2 gekühlt.



Die Vorstufe 1 für den Gitarren- und Effektgeräteingang

Tonabnehmer einer E- Gitarre haben einen hohen Ausgangswiderstand. Um die volle Signalqualität nutzen zu können müssen Gitarrenverstärker einen wesentlich höheren Eingangswiderstand haben. Die Vorstufe 1 kann für den direkten Anschluß an einer E- Gitarre oder als Eingang für ein Effektgerät dienen. Dies ist durch den hohen Eingangswiderstand der Schaltung von 47kOhm möglich. Die Vorstufe 2 hat einen Eingangswiderstand von ca. 1MOhm und ist daher für den direkten Anschluß an einer E- Gitarre besser geeignet.

Das Gitarrensignal wird über den Stecker X1 und dem Koppelkondensator C11 auf den Eingang des Operationsverstärkers IC10 geleitet. Mit dem TL074ACN von Texas Instruments wurde hier ein nichtinvertierender Verstärker realisiert, der durch ein gutes Rauschverhalten und einer hohen Slew Rate hervorragend für Audioanwendungen geeignet ist. Mit dem Spannungsteiler aus R2 und R3 wird ein künstliches Maßebezugspotential von +6VDC erzeugt und über R1 an den nichtinvertierenden Eingang des IC10 gegeben. Durch diesen Trick wird eine unsymmetrische Spannungsversorgung der gesamten Audioschaltkreise eingespart, so daß hier Wechselspannungssignale mit einer einfachen Spannungsversorgung von +12VDC verarbeiten werden können. Die Kondensatoren C12 und C13 dienen zur weiteren Stabilisierung der künstlichen Maße. Das verstärkte Ausgangsignal wird anschließend über den Widerstand R6 zum digitalen Potentiometer IC6 vom Typ AD7376A100 von Analog Devices übertragen. Der Wert des Potis beträgt 100kOhm und geht jeweils immer aus den letzten drei Stellen der Typenbezeichnung hervor. Das digitale Potentiometer wird komplett vom Microcontroller IC4 gesteuert. Mit diesem Prinzip habe ich die Möglichkeit geschaffen, alle analogen Größen menügesteuert mit Hilfe eines Displays und einfachen Tastern zu verändern.

Das Eingangs- und Ausgangssignal der Vorstufe 1 ist in der Grafik zu sehen. Die Verstärkung ergibt sich durch die Widerstände R4 und R5 und vergrößert das Signal ca. um den Faktor sechs von 75mVss auf 450mVss. Hier ist übrigens das tiefe E einer ESP M 201 mit EMG Hz Humbucker zu sehen, die direkt angeschlossen ist, also ohne Effekte zwischen Gitarre und Amp.





Die Vorstufe 2 für den direkten Anschluß einer E- Gitarre

Der Unterschied zur Vorstufe 1 ist der höhere Eingangswiderstand von 1MOhm, da es hier keinen Widerstand von 47k zwischen dem Signaleingang und der Maße gibt. Eine weitere Änderung findet man am Ausgang durch das analoge Potentiometer für die Einstellung der Empfindlichkeit, anstelle des digitalen bei der Vorstufe 1. Daher entkoppelt hier zusätzlich der Kondensator C56 die Gleichspannungsanteile aus dem Nutzsignal. Trotz der kleinen Unterschiede ist die Funktionalität der beiden Vorstufen identisch.



Die Vorstufe 3 für den direkten Anschluß eines Mikrophons

Die Beschreibung der Funktion dieser Vorstufe geht bereits aus den Erläuterungen der Vorstufen 1 und 2 hervor. Hier wurde lediglich mit dem Operationsverstärker IC18 NE5532N von Philips ein anderer Typ eingesetzt, der speziell für Audioanwendungen entwickelt wurde und trotzdem ein sehr gutes Preis/Leistungsverhältnis hat.



Die Mischstufe des E- Gitarrenverstärkers

Die Mischstufe hat die Aufgabe, alle drei Signale der Vorstufen zusammen zuführen. Dazu wurde mit IC10B ein Volladdierer aufgebaut. Die Kondensatoren C15, C57 und C60 filtern den Gleichspannungsanteil aus dem Nutzsignal und durch die Widerstandskombinationen von R8, R56 und R66 zum Rückkopplungswiderstand R9 ergibt sich eine weitere Verstärkung um den Faktor sechs. Bevor das Signal anschließend in die Klangregelung gelangt, wird durch C16 der Gleichspannungsanteil erneut herausgefiltert.



Die aktive Klangregelung

Die aktive Klangregelung besteht aus drei Frequenzfilter für die Bässe, Mitten und die Höhen. Diese Stufe arbeitet mit nur einem Operationsverstärker IC10C, der die einzelnen Frequenzen individuell verstärkt und anschließend wieder mischt. In den jeweiligen Rückkopplungszweigen sorgen die digitalen Potentiometer IC14, IC15 und IC17 für den Verstärkungsfaktor, wobei jeweils in der mittleren Einstellung die sog. "Linear-Stellung" aktiv ist, also weder eine Signalverstärkung noch Signaldämpfung durchgeführt wird. Die Anordnung der Widerstände und Kondensatoren legen die Grenzfrequenzen der einzelnen Zweige fest. C22 unterdrückt nochmals hochfrequente Störungen, so das letztendlich das Gitarrensignal zum digitalen Poti IC12 weitergeleitet wird. Mit IC12 wird die Gesamtlautstärke des Gitarrenamp eingestellt, da das Signal nun durch die anschließende Endstufe weiterverarbeitet wird.



Die Endstufe 1 mit der Pegelanzeige

Das Signal gelangt nun über C25 zum nichtinvertierenden Wechselspannungsverstärker IC18A. Der Verstärkungsfaktor ergibt sich aus den Widerständen R25/R26. Mit dem Spannungsteiler aus R51 und R52 am Ausgang des OP's wird der Rauschabstand verbessert, da anschließend über C26 das Gitarrensignal in die Endstufe 2 gelangt. Dadurch ist im passiven Zustand des Verstärkers kein störendes Brummen zu hören. Weiterhin gelangt das Ausgangssignal von IC18A gleichspannungsentkoppelt über C54 in die Pegelanzeige. Zentrales Bauelement ist hier der Anzeigentreiber LM3914N von National Semiconductor. Mit den blauen Leuchtdioden D4 bis D13 konnte ich, zugegeben eine teure, aber schöne Pegelanzeige realisieren. Über den Stecker X4 steht das Signal ebenfalls noch anderem Studioequipment zur Verfügung.



Die Endstufe 2 - Der 50W Amp

Das Gitarrensignal aus der Endstufe 1 gelangt bei der Endstufe 2 direkt an PIN 1 des IC5 50W Audioverstärkers vom Typ TDA1514A von Philips. Der Eingangswiderstand dieser Endstufe wird im wesentlichen durch R27 bestimmt. C27 dient lediglich als Schwingneigungsunterdrückung. Mit dem Spannungsteiler R30/R28 wird der Verstärkungsfaktor von IC5 eingestellt und beträgt hier ca. 30dB. Durch verschiedene Dimensionierungen kann dieser Wert zwischen 20dB und 46dB variiert werden. Die an PIN 7 extern zugängliche Bootstrap- Schaltung ist mit dem Spannungsteiler R33/R32 und dem Elko C31 beschaltet, während an dem Mute- Eingang PIN 3 R29 und C28 zur Stabilisierung notwendig sind. Der Microcontroller hat hier die Möglichkeit, den Verstärker abzuschalten, um z. B. unerwünschte Knackgeräusche beim Einschalten zu verhindern. Das verstärkte NF Signal wird so DC gekoppelt und auf den an X2 angeschlossenen Lautsprecher gegeben. Hier können wahlweise 8 bzw. 16 Ohm verwendet werden. Ich persönlich benutze eine Reihenschaltung des Eminence Alpha 75W- 8 Ohm für den Hochtonbereich und des Celestion G12E 50W- 8 Ohm für den Tief- Mittenbereich. Schwingneigungen des Verstärkers werden mit dem RC Glied R31 und C30 unterdrückt.

Das Eingangs- und Ausgangssignal der Endstufe 2 ist in der Grafik zu sehen. Die Verstärkung beträgt ca. 30dB womit das Eingangssignal von ca. 36mVss auf 230mVss vergrößert wird. Hier ist ebenfalls das tiefe E einer E-Gitarre zu sehen, die direkt angeschlossen ist, also ohne Effekte zwischen Gitarre und Amp.





Das Microcontrollersystem- Die Ansteuerung des Displays

Eine besondere Eigenschaft dieses Verstärkers ist die digitale Steuerung der analogen Größen wie die Lautstärke, die Bässe, die Mitten und die Höhen. Daher befinden sich keine von außen zugänglichen Potis sondern Taster an der Bedienerfrontplatte. Mit Hilfe eines 2 x 40 Zeichen LC Displays habe ich den Amp menügesteuert entwickelt und konstruiert.

Wie in dem Foto zu sehen, kann über die + und - Tasten die Lautstärke eingestellt werden. Mit den Menüpunkten "Vor" und "Zurück" wird die jeweils nächste Einstellung aufgerufen, wie z. B. die Bässe.

Das Display ist über den 8 Bit Datenbus and dem Z8 Microcontroller IC4 vom Typ Z86E40 von Zilog angeschlossen. Der Prozessor kontrolliert das Display über die Steuerleitungen E (Enable), R/W (Lesen oder schreiben) und RS (Zeichen oder Befehlseingabe), die allesamt mit dem Port P0 des Prozessors verbunden sind. Detailliertere Informationen über die Ansteuerungen von Displays können auf dieser Seite von mir nachgelesen werden. Das Potentiometer R35 regelt den Kontrast und die Widerstände R47 und R48 begrenzen die Stromaufnahme der Hintergrundbeleuchtung.



Das Microcontrollersystem- Die Bedientasten

In dem hier gezeigten Schaltplan sind die vier Tasten S2 bis S5 abgebildet, die an der Frontplatte installiert sind und über den Stecker X11 mit dem Port P0 des Prozessors verbunden sind. Mit diesen vier Tasten ist es dem Bediener möglich, durch das Menü zu navigieren und die entsprechenden Werte zu verändern. Ein sicheres Schaltverhalten habe ich durch die RC Kombination erzielt, wodurch ein Prellen der Taster verhindert wird. Der Prozessor ist so programmiert, daß er bei Erkennung eines Low Pegels die gewünschte Funktion ausführt.



Das Microcontrollersystem- Die Ansteuerung der digitalen Potis

Der Z8 Microcontroller von Zilog IC4 steuert die digitalen Potentiometer mit den drei Steuerleitungen SDI (Seriel Data In) an Port P37, CLK (Clock bzw. Takt) an Port P34 und /CS (Chip Select, /CS1 bis /CS5). Zunächst wird mit einem Low Pegel an /CS das entsprechende Poti ausgewählt. Der eigentliche Wert des Potis wird immer mit einer 7 Bit Information übertragen, wobei nun das erste Bit (High oder Low) auf die Leitung SDI gelegt wird und anschließend mit dem CLK Eingang in das Poti übertragen wird. Solange das /CS Signal Low Pegel hat, erkennt das Poti jeweils immer die letzten sieben transferierten Bits als neuen Widerstandswert an. Die folgende Tabelle zeigt die zu übertragenden Informationen zur Einstellung bestimmter Widerstandswerte für ein 10k Ohm Poti:

Dezimalwert
Wert / Ohm
Status Ausgang
127
10041
Full Scale
64
5210
Midscale
1
276
1 LSB
0
198
Zero Scale


Das /CS Signal und das CLK Signal des Potis IC12 sind hier sehr gut zu erkennen. Zunächst wählt der Prozessor das Poti aus und anschließend werden die Informationen in das Poti eingetaktet.

Das /CS Signal und das SDI Signal des Potis IC12 sind in dieser Grafik dargestellt. Zunächst wählt der Prozessor das Poti aus und legt die Informationen (7 Bit) auf die Steuerleitung SDI.




Das Microcontrollersystem- Die Ansteuerung des EEPROM

Das von mir eingesetzte EEPROM vom Typ 24C04 besitzt einen 256B großen Speicher. Über den I2C Bus findet die Kommunikation mit dem Controller statt. Hierzu werden die Leitungen SDA (Seriel Data Line) und SCL (Seriel Clock Line) über die Ports P24 und P25 verwendet. Detailliertere Informationen über den I2C Bus können auf dieser Seite von mir nachgelesen werden. Die Adressdefinition findet mit Hilfe der Eingänge A0, A1 und A2 statt, die einfach mit H oder L beschaltet werden. Um das EEPROM in einem I2C Bus ansprechen zu können, muß diese Adresse im Protokoll mit übertragen werden. Die 24CXX Familie ist ein serielles "zweidraht" EEPROM mit den folgenden Spezifikationen:

Device
Bytes
Max. Devices
Page Write
Device Adress Byte
24C01A
128
8
8
1010 A2 A1 A0 R/W
24C02
256
8
8
1010 A2 A1 A0 R/W
24C04
512
4
16
1010 A2 A1 P0 R/W
24C08
1K
2
16
1010 A2 P1 P0 R/W
24C16
2K
1
16
1010 P2 P1 P0 R/W

In diesem EEPROM werden die hexadezimalen Werte der digitalen Potentiometer abgespeichert. Das ist notwendig, damit beim Einschalten bzw. bei Spannungsverlust die zuletzt aktiven Einstellungen wieder hergestellt werden können.



Das Microcontrollersystem- Die Mute Steuerung der Endstufe 2

Mit Hilfe der Mute Funktion der Audio Endstufe ist es möglich, unerwünschte Nebengeräusche z. B. während des Einschaltens des Verstärkers zu vermeiden oder je nach Bedarf den Lautsprecher einfach über das Bedienermenü auszuschalten. Das Signal kommt vom Controller aus dem Port P23 und geht über den Widerstand R7 in den mit IC13 als Komparator aufgebauten Operationsverstärker LM318P von Texas Instruments. Um ein sicheres Schaltverhalten zu erzielen, muß als Bezugspotential die negative Spannungsversorgung von -25VDC der Endstufe verwendet werden. Der Spannungsteiler aus R41 und R42 hilft dem Operationsverstärker den Signalwechsel des Prozessors zu erkennen. Am Ausgang wird anschließend mit dem NPN Transistor T1 vom Typ BC337 eine Signalkopplung durchgeführt und der Mute Pegel gegen -25VDC gezogen, wodurch die Endstufe den Lautsprecher abschaltet.



Das Microcontrollersystem- Die serielle RS232 Schnittstelle

Der komplette Verstärker ist ebenfalls über die serielle RS232 Verbindung steuerbar. Hierfür wurde der Standardtreiber MAX232CP von Maxim eingesetzt. Die Kommunikation mit dem Prozessor erfolgt über die Interuptleitung P30 mit 9600 Baud, 1 Startbit, 8 Datenbits, 1 Stopbit und keiner Parität. Einstellbar sind die folgenden Optionen:

  • Lautstärke der Endstufe

  • Lautstärke der Vorstufe

  • Die Bässe

  • Die Mitten

  • Die Höhen

  • Ein- Ausschalten des Lautsprechers

  • Ein- Ausschalten der zus. 220VAC Versorgung

  • Reset des Prozessorsystems

Mit Hilfe des von mir geschriebenen Windowsprogramms lassen sich alle Funktionen auch remote bedienen.



Zum Schluss möchte ich noch darauf aufmerksam machen, daß ich keine Garantie bezüglich der Funktionsfähigkeit der Schaltung übernehmen kann, da diese stark vom Platienenlayout abhängig ist !





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