Kennen Sie das field-coil Prinzip?
Es kommt überall da zum Zug, wo ein statisches Magnetfeld (z.B. Neodym, Alnico, …..) durch ein elektrisch erzeugtes Magnetfeld ersetzt wird.
Neben Lautsprechern (z.B. Wolf von Langa) findet es inzwischen auch in MC Tonabnehmersystemen seinen Platz.
Im folgenden Artikel wird die Funktion und der Bau einer Spannungsversorgung für ein derartiges System beschrieben – kurz field-coil-PSU.
Einleitung
Im Auftrag eines guten Bekannten sollte ich eine Spannungsversorgung entwerfen, die ein einfaches 12V Schaltnetzteil ersetzen sollte, das bisher – mit mässigen Erfolg und einigen Störungen – ein field coil MC System antrieb.
Zur Erkärung: üblicherweise werden die statischen Magnetfelder durch Neodymmagneten realisiert, in denen sich eine Spule bewegt (moving coil).
Bei diesem speziellen System wird das Magnetfeld durch eine weitere Spule erzeugt, und der statische Magnet dadurch real ersetzt.
Die Betriebsspannung darf zwischen 9 – 12V DC liegen; dazu müssen neben den 4 Signalkabeln zwei weitere Spannungskabel verlegt werden, die das System versorgen.
Bei der Diskussion über das System – das klanglich hervorragend ist – kam das Gespräch schnell auf eine andere Lösung, als das fc-System netzgebunden zu betreiben: eine Batterielösung!
Das war die Geburtststunde der field-coil-PSU .
Konzept
Schaltnetzteile bergen das Risiko, unerwünschte Nebeneffekte “mitzuliefern”, die speziell in hochverstärkenden Systemen rasch klangbeeinflussend sein können.
Immerhin liefert so ein MC-System ca. 1mV Signal, dass durch den Vorverstärker auf 1000mV verstärkt wird: also Verstärkung ca. 1:1000.
Im Gegensatz dazu liefert der Akku ein sauberes DC Signal, das nahezu frei von Artefakten ist.
Neben Motorantrieben von Plattenspielern hat sich dieses Konzept auch in transistorisierten MC Vorverstärkern bewährt.
Schaltungsprinzip
Die field-coil-PSU benötigt neben einem kapazitätsstarken Akku eine Ladeeinheit, die den gewählten Bleivliess-akku nach dem U/I Prinzip laden kann.
Das fc-MC System benötigt 120mA Stromlieferfähigkeit, so dass für 10 Stunden kontinuierlichen Hörens eine Akku mit mindestens 1,4Ah Kapazität nötig wurde.
Eine externer Akku als Backup oder Ergänzung wurde vorgesehen.
Nun birgt der Verbau eines solchen Akku verschiedene Besonderheiten:
– die Entladekurve ist nicht linear (unerwünscht)
– der Akkus sollte aus Lebensdauergründen nicht häufiger unter 50% entladen werden
– die Ladeeinheit sollte nach dem U/I Prinzip erfolgen, um lange Freude am Akku zu haben
– es musste eine strikte Trennung von Netzladebetreib und Akku-Spielbetreib umgesetzt werden.
Konzeptionell bestand die Platine aus zwei Einheiten, die mittels eines Relais umgeschaltet werden konnten, aber keinen Parallelbetrieb zulassen.
Einheit 1 ist eine geregelte Konstant-Spannungsabgabe aus dem Akku an das field-coil System
Einheit 2 ist eine Ladeeinheit, die neben einer Strombegrenzung (120mA) eine exakt einstellbare Ladespannung (13,7V) und eine Anzeige des Ladezustandes realisiert.
Realisierung
Als Akku wurde ein Sonnenschein 1,4Ah Blei-Vlies-Akku bei der Fa. Reichelt gewählt.
Die Ladeelektronik und die Spannungsabgabe fanden auf einer Europlatine Platz.
Innerhalb der Ladeelektronik erfolgte die Strombegrenzung (1/10 der Nominalkapazität) mit einem LM317, ebenso die Spannungsbegrenzung, die bei 13,8V liegt (siehe obiges Bild).
Eine Komparatorschaltung signalisiert über eine rote LED Ladung und bei Erreichen von 13,5 V des Akkus die Volladung.
Ab diesem Zeitpunkt bleibet die Erhaltungsladung bei ca. 10-15mA “stehen”.
Teste zeigten, dass der Akuu bei 50% Entladung von der Elektronik maximal 120mA initialen Ladestrom erhält, was Akkuschonung bedeutet. Mit zunehmenden Ladezustand fällt der Ladestrom bis zur Erhaltungsladung kontinuierlich ab.
Damit ist das geforderte U/I Ladeverfahren realisiert.
In der Spannungsabgabe – sprich im Spielbetrieb – wird die Entladekurve des Akkus mit einem Trick “umgangen” und der Elektronik Konstantspannung vorgegaukelt.
Näheres möchte ich an dieser Stelle nicht verraten.
Diese Konstantspannung wird einem LM317 eingespeist, der in einem Bereich von 2,5V – 12,5V mittels Präzisionpotentiometer eingestellt werden kann. Die Ablesung erfolgt mit einem Drehspulinstrument im Zentrum der Gerätefront.
Die Maximalspannung ist auf 12,5V begrenzt, um das System nicht zu beschädigen.
An der Rückseite des Gerätes kann eine zweite Batterie angeschlossen werden, um gegebenenfalls bei längerer Spieldauer nicht auf das Nachladen des Akkus warten zu müssen.
Gehäusebau
Es wurde ein Gehäuse aus der Midiserie von Hifi2000 verwendet.
Auf der Front fanden ein Power-on-off Schalter nebst LED, ein Umschalter Betrieb/Laden, das Drehspulinstrument und der Drehknopf zur Spannungseinstellung und 3 LED’s zur Ladeelektronik Platz.
Das Design wurde mit der Schaeffer frontdesign Software bewerkstelligt.
In gleicher Weise wurden auf der Rückseite der 230V Wechselstromaschanschluss, der Batterieumschalter (intern/extern), die Verbindung zum fc-MC System und die Ersatzbatterie plaziert.
Positiv erwähnt werden muss die ausserordentliche Präzision, mit der die Fa. Schaeffer den Fräsauftrag umsetzt. Insbesondere die Beschriftung ist aussergewöhnlich gut!!
Fazit
Auch mit Standardbausteinen kann ein solches Projekt gestemmt werden.
Leider habe ich einige unerfreuliche Erfahrungen in der Entwicklung des filed-coil-PSU Gerätes mit Ladeelektroniken aus dem Modellbau gemacht, die allesamt nicht kurzschlussfest waren oder das U/I Verfahren NICHT umgesetzt haben.
Deshalb ein Eigenentwurf “entlang” der Datenblätter des LM317.
Im praktischen Betrieb muss das Gerät nun den Beweis antreten, dass es besser als ein konventionelles Schaltnetzteil ist – aber da warte ich frohgemut auf das Feedback meines Bekannten und bin sicher, dass er sehr zufrieden Musik hören wird.