Für meinen Musikplayer mit Raspberry Pi verwendete ich bisher ein einfaches Schaltnetzteil. Das war bei einem Handy dabei. Über die Qualität kann ich leider keine Aussagen machen. Im Internet liest man häufig, dass ein rauscharmes Netzteil weniger Störungen verursacht. Es wird vorgeschlagen, ein klassisches längsgeregeltes Netzteile zu verwenden. Diese sollen für „Audio-Anwendungen“ besser geeignet sein.
Inhaltsverzeichnis
Rauscharmes Netzteil: Was bringt das für den Raspberry Pi?
Vorweg muss ich sagen, dass ich mit der Audioqualität meines Musikplayers sehr zufrieden war. Beim Stöbern im Internet bin ich aber immer wieder auf die Aussage gestoßen, dass ein Schaltnetzteil nicht optimal wäre. Als Grund wird oft die „unsaubere“ Ausgangsspannung genannt.
Das von mir bisher verwendete Schaltnetzteil ist ein einfaches Handynetzteil. Hier kommt es nicht darauf an, dass die Ausgangsspannung möglichst wenig Störungen aufweist. Ein einfaches längsgeregeltes Netzteil ist in dieser Beziehung wesentlich besser.
Die Überlegung ist nun: Ändert sich das Audio-Signal des Musikplayers, wenn ich ein anderes rauscharmes Netzteil verwende? Im Großen und Ganzen hängt das von der Schaltung des Musikplayers ab. Wird z.B. die Spannung hier noch mal aufbereitet, hat das Netzteil wahrscheinlich keinen Einfluss.
Um festzustellen, ob es Einflüsse des Netzteils gibt, habe ich mir folgendes überlegt: Der DAC auf dem Hifiberry muss aktiv sein. Das tut er nur, wenn er etwas zu tun hat. Er muss also eine Audiodatei abspielen. Diese Datei muss möglichst leise sein, damit man Störungen bemerken kann. Ich habe mir dafür mit Audacity ein paar Dateien (flac, mp3, ogg, wav) erstellt. Diese enthalten „Stille“. Wenn ich sie abspiele, müsste ich Störungen über meine Stereoanlage hören können. Merkwürdig ist, dass bei flac und ogg keine Störungen zu hören sind aber bei mp3 und wav schon.
Planung des Netzteils
Die erste Überlegung war: Welchen Spannungsregler soll ich nur verwenden? Anfangs wollte ich den TPS7A4700 nehmen. Dieser bietet 1A Ausgangsstrom und ein sehr niedriges Rauschen 4 µVRMS (10 Hz, 100 kHz). Leider gibt es den nur als SMD-Bauteil. Bei Ebay findet man aber auch schon fertig aufgebaute Schaltungen mit diesem Spannungsregler. Hierbei bleibt aber der Bastelspaß etwas auf der Strecke. Die nächste Idee war ein Netzteil mit 7805 oder LM317 zu bauen. Das macht aber jeder und diese Spannungsregler sind schon sehr lang auf dem Markt. Da habe ich den LT3081 gefunden. Dieser sollte es werden. Er ist sehr rauscharm (27μVRMS), benötigt nur wenige externe Bauteile und kann bis zu 1,5A liefern. Außerdem hat er normale Beinchen und lässt sich deshalb gut auf Lochraster aufbauen.
Die Schaltung habe ich mit Hilfe des Datenblatts erstellt. Folgende Bauteile habe ich dafür verwendet:
Spannungsregler: LT3081
D1-D4: Schottky Diode 2A
D5: LED Grün
C1-C4: Keramik-Kondensator 100nF
C5: 4*Elko 2200µF, 25V
C6, C9: Folien-Kondensator 100nF
C7: Keramik-Kondensator 100pF
C8: Elko 470µF, 16V
R1: Widerstand 100kΩ
R2: Widerstand 150Ω
L1: Drossel 100µH
F1: Sicherung 160mA
F2: Sicherung 2A
TR1: Printtransformator 7,5V, 16VA
Dimensionierung des Trafos
Das große Problem ist oft, wie man den Trafo dimensionieren muss. Wenn die Ausgangsspannung zu hoch ist, wird zuviel Energie im Spannungsregler verbraten. Ist die Spannung zu niedrig, kann der Regler unter Umständen nicht mehr richtig arbeiten. Glücklicherweise gibt es LTspice. Damit lässt sich eine Schaltung gut simulieren. Hier gibt es die Simulation zum rumspielen.
Auf dem oberen Bild sieht man die Schaltung mit einem 6V Trafo. Sie wird mit 1,5A belastet. Das entspricht der Maximalbelastung. Die blaue Kurve zeigt die Spannung an C6. Man sieht schön, dass sie zwischen 6V und 7V schwankt. Die maximale Dropout-Spannung des Reglers liegt bei 1,5V. Aus diesem Grund schwankt auch die Ausgangsspannung (grüne Linie).
Der nächst größere Trafo liefert 7,5V. hier schwankt die Spannung an C6 zwischen 8V und 9V. Abzüglich der Dropout-Spannung des Reglers bleibt hier noch genügend Puffer. Die Ausgangsspannung ist damit schön gerade.
Aufbau des Netzteils
Die Schaltung ist schnell auf der Lochrasterplatine aufgebaut. Der Trafo braucht fast den halben Platz. Der Spannungsregler benötigt eine Mindestbelastung von 5mA. Dies wird durch die LED gewährleistet.
Der Spannungsregler LT3081 hat 7 Beinchen. Die sind bei dem TO-220 Gehäuse sehr dicht zusammen. Da muss man aufpassen, dass es dort keine Kurzschlüsse gibt.
Hier habe ich den ersten Funktionstest durchgeführt. Der Kühlkörper ist nur provisorisch. Die Ausgangsspannung wird über R1 eingestellt. Für 5V muss er 100kΩ groß sein. Das Ergebnis (4,98V Ausgangsspannung) ist schon beeindruckend.
Als Lastwiderstand habe ich 8Ω verwendet, das ergibt 625mA.
In China habe ich mir ein billiges Volt- / Amperemeter bestellt. Damit kann ich die Ausgangsspannung und die Stromaufnahme kontrollieren. Das Teil ist nicht notwendig aber chic.
Angeschlossen wird das Meter so wie im Schaltplan oben. Die Versorgungsspannung habe ich vor dem LT3081 abgegriffen. Das schwarze Kabel von der Versorgungsspannung wird nicht verwendet. Ich habe es einfach abgeschnitten. Es kann sein, dass es Abweichungen gibt (z.B. gelb und schwarz sind vertauscht). Das hängt vom verwendeten Volt- und Amperemeter ab. Am besten man macht erst einen Versuch mit einem Labornetzteil.
In die Rückwand kommt die Kaltgerätebuchse mit Schalter und die Aussparung für den USB-Stecker. Dazu wird der Ausschnitt vorgebohrt und anschließend auf das richtige Maß gefeilt.
Wenn alles verbaut ist, kann die Buchse verkabelt werden.
Die Schutzfolie auf der Aluplatte sollte man erst ganz zum Schluss abziehen um Kratzer zu vermeiden.
Der Trafo ist sehr schwer. Damit er sicher im Gehäuse befestigt ist, muss er verschraubt werden. Ich habe durch die Laschen des Trafos in die Platine Löcher gebohrt. Anschließend habe ich Abstandshülsen an die Unterseite der Platine geklebt. In das Alugehäuse wurden an den entsprechenden Stellen Gewinde hinein geschnitten. Somit kann man den Trafo samt Platine und Abstandshülsen mit dem Gehäuse verbinden.
Der Spannungsregler wird isoliert mit dem Gehäuse verschraubt. In die Frontplatte wird das Volt- / Amperemeter eingebaut.
Fazit rauscharmes Netzteil
Deckel drauf und fertig. Das Netzteil ist ziemlich groß geworden. Es funktioniert und Spannung sowie Strom werden angezeigt.
Ich habe den gleichen Test wie oben gemacht. Auch hier ist auffällig, dass bei flac und ogg keine Störungen zu hören sind aber bei mp3 und wav. Diese sind genauso laut wie mit dem Schaltnetzteil und nur zu hören wenn ich ganz laut drehe. Im normalen Betrieb sind sie nicht wahrnehmbar. Das Netzteil bringt für diesen Fall gar nichts.
Also war die ganze Arbeit umsonst? Sicherlich nicht. Spaß hat es gemacht. Das Netzteil ist beeindruckend anzusehen. Vielleicht ist mein Schaltnetzteil auch ein besonders Gutes.
Ich könnte jetzt noch viel schreiben über die Spielfreude, ein sich lösendes Klangbild, Musikalität, seidige Höhen und weggezogene Vorhäng. Ich lass das lieber und überlasse dass Leuten, die sich damit auskennen :-)
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