ELEKTRONIK Gimos50 - Ein Gitarrenamp in Transistortechnik
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Der Verstärker ist noch in Arbeit

Als nächstes Projekt stelle ich einen Gitarrenverstärker in Transistortechnik vor.

Der Verstärker besteht im Wesentlichen aus fünf Platinen:

Die Endstufe

Die Vorstufe mit Zerre

Der 5-Band-Equalizer

Ein DC-Lautsprecherschutz

Ein +/- 15V Netztteil

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Zunächst einmal die Die Endstufe

Folgende Punkte sollen dabei berücksichtigt werden: Sie sollte
  • äußerst robust sein
  • eine Dauerleistung von ca. 50Watt bringen
  • soft clippen

Als erstes wähle ich einen Ringkerntrafo

  • Primär 230V sekundär 2 x 30V und 120Watt Leistung

Da ein Gitarrenverstärker in der Regel mehr geprügelt wird als ein HIFI-Gerät, lohnt es sich einige Reserven zu haben. Außerdem darf der Verstärker bei Überlast nicht einfach ausgehen, das wäre bei einem Gig fatal. Überlastsicherungen müssen also äußerst träge reagieren, den Rest muss der Verstärker aushalten können. Aus meinem letzten Projekt sind noch einige Transistoren übrig. Darunter die guten IRFP240 und IRFP9240, die ich für den Gitarrenverstärker verwenden möchte.

Oft wenn ich mir Schaltpläne von Gitarrenendstufen auf Transistorbasis anschaue kann ich nur mit dem Kopf schütteln. Dort wird versucht eine HiFi-Endstufe in einen Gitarrenamp zu verpflanzen. Wollen wir uns noch mal vor Augen halten was die einzelnen Geräte erfüllen sollen.

Ein HiFi-Verstärker mit 50Watt Ausgangsleistung arbeitet normaler Weise im Bereich von 2-5Watt, um die heimischen Gefilde nachbarschaftsfreundlich zu berieseln. Der Rest ist Reserve. Bei der nächsten Party wird’s schon eng und wenn die Schaltung über eine Temperatursicherung verfügt, ist die Komplettabschaltung nicht selten. Außerdem sind die meisten HiFi-Verstärker stark gegengekoppelt, um Verzerrungen zu vermeiden. Das bringt aber oft Instabilitäten mit sich, die dann aufwendig kompensiert werden müssen. Und nicht immer gelingt es selbst kommerziellen Herstellern eine wirklich stabile Endstufe zu entwerfen. Wenn ich von Instabilitäten spreche sind unter anderen Schwingungen gemeint. Dass heißt, der Verstärker fängt im Bereich von 500kHz bis einige Mhz an zu oszillieren. Wenn er das mit vollem Pegel macht stirbt die Endstufe schneller als die meisten Schutzschaltungen reagieren können.

Eine Gitarrenendstufe mit 50Watt Ausgangsleistung arbeitet hingegen oft bei 30-40Watt und nicht selten werden sie auch in die Übersteuerung getrieben. Und gerade weil die Endstufe stärker belastet wird, müssen die Bauteile entsprechend dimensioniert werden.Wenn Gitarristen von einem cleanen Sound sprechen, sind sie sich oft nicht bewusst, dass der Verstärker schon 1-5% verzerrt, weil sie mit Verzerrungen andere Soundvorstellung verbinden. Also braucht es für Gitarre gar keine Endstufe mit 0,001% THD, ich behaupte mal 0,5%THD sind schon besser als benötigt. Jetzt wird es interessant. Um dieses Ziel zu erreichen benötigt die Schaltung keine allzu starke Gegenkopplung und damit entfallen auch die aufwendigen Frequenzkompensationen. Das wiederum gewährleistet eine äußerst stabile Schaltung. Die schwache Gegenkopplung bringt auch gleichzeitig einen schwachen Dämpfungsfaktor mit und wir alle wissen besitzen Röhrenendstufen ebenfalls schlechte Dämpfungsfaktoren. Somit gestatten wir dem Lautsprecher mehr Eigenleben, was zur Soundgestaltung beiträgt. Zu guter Letzt sollte ein Gitarrenverstärker soft clippen.

Mit diesem Wissen habe ich mich an die Entwicklung einer transistorisierten Gitarrenendstufe gewagt. Die Schaltung besteht aus einem zweistufigen Spannungsverstärker und einem Stromverstärker, der auf Mosfets basiert. Mosfets sind enorm robust, ein IRFP9240 kann mit -48Ampére gepulst werden. Das heißt, sie können kurzzeitig sehr viel Strom liefern. Das ist praktisch, wenn man aus versehen den den Ausgang bei vollem Pegel kurzschließt. Bipolare Transistoren sind weit weniger großzügig und rauchen trotz Kurzschlusssicherung oft ab. Also habe ich gleich vier Mosfets genommen. Die IRFP9240 und IRFP240 sind relativ günstig und weit verbreitet.

Die einzelnen Spannungsverstärker haben lokal eine hohe Stromgegenkopplung, somit ergibt sich eine geringe Leerlaufverstärkung und daraus resultierend ein geringen Gegenkopplungsfaktor. In diesem Fall liegt die Leerlaufverstärkung nur geringfügig über der Spannungsverstärkung des gegengekoppelten Verstärkers. Die Dioden in der Gegenkopplung verhindern ein hartes Begrenzen, ebenso die LEDs in der Kurzschlusssicherung um die Transistoren Q12, 13. Die LEDs im Eingang begrenzen den maximalen Eingangspegel auf ca.2V. Um die Ruhestromeinstellung findet sich ebenfalls ein Mosfet Q11, der zur Temperaturkompensation auf einen IRFP240 geschraubt wird.

Gimos50 ist ebenfalls im HiFi-Forum zu finden, dort kann man auch die Entwicklung verfolgen:

GIMOS50 – robuster Gitarrenverstärker mit Mosfets

Der Schaltplan

Das fertig aufgebaute Modul

Hier sind einige Messungen der Endstufe
Bild 1a Bild 1b Bild 1c
 
Bild 1a zeigt ein Rechtecksignal von 10kHz/12Vss an 8 ohm, wobei die Endstufe mit 1µF belastet wird. Das Ergebnis kann sich sehen lassen, denn die Endstufe fängt auch ohne Kompensationsmaßnahmen nicht an zu schwingen. Bilder 1b und 1c zeigen ein Dreickecksignal bei jeweils 4 und 8 ohm. An den abgerundeten Spitzen des Dreiecks kann man sehr schön die Wirkungsweise der Begrenzung per softclipping sehen.
 
Hier sind nochmal alle wichtigen pdf-Dateien der Endstufe für Interessierte:

Schaltplan

Platinenlayout

Bestückungsplan

 

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Der Vorverstärker mit Zerre

Nachdem ich versucht habe das Verhalten von Röhren mit Feldeffekttransistoren zu simulieren und auf kein brauchbares Resultat gestoßen bin, habe ich mich wieder der altbewährten Technik zugewandt, die zuverlässig das Signal mit Dioden begrenzt. Einzig im Eingang habe ich einen Differenzverstärker mit zwei Jfets bestückt, den guten alten 2SK170GR. Ich hätte den Eingangsverstärker auch einfacher mit einem Opamp aufbauen können, aber wegen der Rauscharmut habe ich mich für einen diskreten Aufbau entschieden.

Im Eingangsverstärker wird das Signal in der Gegenkopplung begrenzt. Um genug Headroom beim cleanen Spiel zu haben begrenzen die Zenerdioden mit den LEDs erst bei ca. +/-12,5V. Die Begrenzung geschieht sehr sanft und das Signal wird über das Poti RV1 (Volume 1) über das Relais an den 5-Band Equalizer geschaltet. Für die Zerre habe ich mir etwas Besonderes einfallen lassen. Wenn der Poti RV 4 (Tubemachine) 0 Ohm hat, dass heißt er ist geschlossen, begrenzen Q7/9 das Signal wie normale Dioden(Bild 2a), die Stromspiegel werden quasi kurzgeschlossen. Wird der Potis geöffnet geschieht im Prinzip genau das, was bei der Röhrenverzerrung auch passiert. Durch Spiegelung der Signalamplitude in den Spitzen werden zusätzlich Obertöne dazu gemischt (Bild 2b). Das ist einem Oktaver nicht unähnlich. Mit Poti RV 3 (snot) kann man Q7 mit einem Höhensignal ansteuern, so dass bestimmte Signalanteile nicht mit den Obertönen überlagert werden (Bild 2c). Das klingt dann ein wenig Rotzig, deswegen der Name.

Das ist keine technisch genaue Schaltungsbeschreibung, erklärt das Prinzip aber auf einfache Weise. Der Elektroniker wird den Schaltungstrick erkennen ;)

Bild 2a Bild 2b Bild 2c
Das ist der Schaltplan:

Hier die Daten für die Vorstufe:

Schaltplan

Platinenlayout

Bestückungsplan


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Der Equalizer

Da die Vorstufe ohne Opamps hervorragend funktioniert, habe ich auch die Klangregelung diskret aufgebaut. Die Schaltung ist ein einfacher 5-Band-Equalizer, bei der Gyratoren die Induktivitäten nachbilden. Altbewährte Schaltung. Der Eingangsverstärker hat eine Spannungsverstärkung von 3 und der Regelbereich der fünf Bänder umfasst +/-7dB. Viele schaffen hier mehr dB, rauschen aber dafür auch deutlich mehr. Mit +/-7dB kann man schon eine Menge an Soundvariationen raus holen. Der Differenzverstärker ist wieder mit den rauscharmen 2SK170 bestückt. Ebenfalls wie in der Vorstufe finden hier die rauscharmen 2SC2240 und 2SA970 Verwendung.

Beim Filterentwurf habe ich bei den Bässen eine geringere Güte eingestellt als bei den Höhen. Dass heißt, wenn der Bassregler betätigt wird, wird ein breiteres Frequenzspektrum angehoben oder abgesenkt. Das ist reine Geschmackssache, wer den Equalizer nachbauen möchte, kann andere Güten und Frequenzen einstellen.
Das ist der Schaltplan:

Hier die Daten für die Vorstufe:

Schaltplan

Platinenlayout

Bestückungsplan


Eine kleine Soundprobe gefällig?
Gefieldel bei cleaner Einstellung
Als Ogg-Datei:Gefiedel
Geschrabbel auch clean
Als Ogg-Datei:Geschrabbel
1. angezerrt
Als Ogg-Datei:Angezerrt-1
2. angezerrt
Als Ogg-Datei:Angezerrt-2
3. angezerrt
Als Ogg-Datei:Angezerrt-3
Brett
Als Ogg-Datei:Brett