Batterien, Akkus und Netzteile
Ein altes Sprichwort sagt „Ein Gerät ist nur so gut wie seine Speisung“. Dies wird dann allgemein auch stillschweigend hingenommen, mit Ausnahme vielleicht bei alten Tubeamps mit schlappem Netzteil und Röhrengleichrichter. Auch in meinen Kolumnen der vergangenen Zeit habe ich eine perfekte Speisung einfach angenommen bzw. vorausgesetzt – dagegen spricht ja auch nichts. Aber jetzt ist es an der Zeit, die üblichen Betriebsspannungs-Quellen unserer Bodentreter einmal auf den Prüfstand zu stellen: Wir wollen sehen, inwieweit die realen Spannungsquellen von dem theoretischen Ideal abweichen dürfen, um den Sound der Geräte nicht zu verändern.
Die meisten klassischen Effektpedale wurden und werden mit einer 9-V-Blockbatterie gespeist. Der allgemeine Aufbau dieser Blockbatterie beinhaltet sechs 1,5-V-Zellen, die elektrisch in Reihe geschaltet sind, was dann als Summe nominal eben 9 V ergibt. Betrachtet man die Sache genauer, ist die Leerlaufspannung des landläufig als “9-Volt-Block“ titulierten Spenders etwas größer (ca. 9,6 V) und schwankt, abhängig vom Batterietyp.
In den 1960er-Jahren gab es den Zink-Kohle-Typ, später gefolgt und ersetzt von dem leistungsfähigeren Alkaline-Typ. Über die Jahrzehnte hinweg sind die Batterien, egal welchen Typs, merklich verbessert worden; die 9V-Zink-Kohle-Blöcke der Vergangenheit hingegen sind aus heutiger Sicht richtig schlecht gewesen! Ich bedanke mich an dieser Stelle bei Herrn Dipl.Ing. S. Vetter, der mir bei der Recherche über die alten abgekündigten Batterie-Technologien mit Rat & Tat zur Seite stand.
IDEALE QUELLE
Die ideale Spannungsquelle beinhaltet nur die innenwiderstandslose Spannungsquelle als solche und hat folglich auch keinen separaten Innenwiderstand im Ersatzschaltbild. Eine Folge davon ist, dass der physikalische Ausgang einer idealen Spannungsquelle die eingeprägte Spannung zur Verfügung stellt, unabhängig vom Laststrom. Eine solche ideale Spannungsquelle ist eher theoretischer Natur und in der Praxis nur sehr aufwendig zu realisieren (z.B. mit Labornetzteilen).
REALE BATTERIE
Die reale Spannungsquelle – beispielsweise eine 9-V-Batterie – beinhaltet im Ersatzschaltbild die bereits zitierte ideale Quelle in Reihe mit dem nominalen Innenwiderstand. Dieser Innenwiderstand bewirkt, dass bei Stromfluss durch die Batterie an diesem Innenwiderstand eine Spannung abfällt. Diese Spannung subtrahiert sich von der Quellenspannung, die Batteriespannung an den Klemmen ist also geringer als die eingeprägte interne Quellenspannung.
Variiert die Stromentnahme, variiert folglich auch die an den Klemmen anstehende Batteriespannung. Der Batterie-Innenwiderstand ist übrigens bei näherer Betrachtung frequenzabhängig – er verringert sich etwas bei höheren Frequenzen. Ohne genaue Kenntnisse der elektrochemischen Abläufe innerhalb der Batterie lässt sich diese komplexe Frequenzabhängigkeit jedoch nicht herleiten.
Bei längerem Gebrauch sinkt die Batteriespannung merklich unter den Wert, den die Batterie im Neuzustand besitzt. Dieser Vorgang lässt sich in zwei Teilprozesse gliedern: Zum einen geht die Quellenspannung tatsächlich zurück, zum anderen erhöht sich der Innenwiderstand beträchtlich. Und hier setzt die bekannte Klang-Verschiebung bei vielen Oldschool-Geräten in diskreter Transistortechnik ein: Diese Geräte haben in aller Regel für die Vorwärtsverstärkung einzelne Transistoren, die in Class-A eingestellt sind.
Da hier meist keine ausreichende Gegenkopplung eingebaut ist, ergibt die Übertragungskennlinie anstelle einer Geraden dann eine Kurve, deren Grundverzerrung von der Lage der Kurve abhängig ist. Der Arbeitspunkt in der Kurve wird beim Entwurf der Schaltung bei voller Batteriespannung gewählt, sinkt diese, verschiebt sich der Arbeitspunkt relativ zu seiner Ausgangslage mit der Folge, dass sich die Verzerrung in ihren Spektralanteilen verschieben, kurz: Die Kiste klingt anders. Wie der veränderte Klang wahrgenommen wird, ist natürlich von Person zu Person und von Pedal zu Pedal unterschiedlich, es gibt jedoch genug Geräte, bei denen man den Unterschied deutlich hört (z.B. Wah-Pedale).
Nun kann man aber gewöhnlich nur volle Batterien im Laden kaufen. Für Leute, denen der Sound in halbleer am besten gefällt, ist es daher schwer, ein reproduzierbares Ergebnis zu bekommen. Mittlerweile fangen aber einige Firmen an, in ihren Netzteilen einen Ausgang mit variabler Betriebsspannung einzubauen, mit dem man auch Spannungen abwärts von 9V realisieren kann. So lässt sich dann eine halbleere Batterie emulieren.
INNENWIDERSTAND
Bis jetzt haben wir die Sache ohne Batterie-Innenwiderstand betrachtet. Dieser Innenwiderstand sorgt nebenbei in der Praxis dafür, dass die an den Batterieklemmen anstehende Betriebsspannung nicht wechselspannungsmäßig als kalt anzusehen ist, was bedeutet, dass die Betriebsspannung wechselspannungsmäßig (!) kein Massepotential besitzt. Das ist der Grund, warum dann in den komplexen Schaltungen ein Schließungselko benutzt werden muss, der aber in der Regel auch als Siebelko oder Ladeelko fungiert.
Oft führt das dann auch zu der Frage, warum in batteriebetriebenen Geräten, die also frei sind von Wechselspannungsanteilen, in der Versorgung ein vermeintlicher Siebelko arbeitet – hier gibt es ja schließlich nichts zu sieben. In diesem Fall ist dieser Elko als reiner Schließungselko zu interpretieren, der dafür sorgt, dass die mit einem Innenwiderstand verlustbehaftete Batterie wechselspannungsmäßig überbrückt wird. Die Batterie wirkt also wie mit Innenwiderstand 0 Ohm. Wäre dies nicht der Fall, würden die einzelnen Ströme jeder einzelnen Stufe des Gerätes an dem Innenwiderstand der Batterie miteinander verknüpft werden.
Dazu lässt sich final sagen, dass sich die charakteristischen Eigenschaften jeder einzelnen Stufe dadurch meist verschlechtern werden. Diese formale Verschlechterung sagt jedoch noch nichts über den Klang aus, auch das ist wieder Geschmackssache. Meistens wird der Sound ohne Schließungselko jedoch als schlechter empfunden.
NETZTEIL & DAISY CHAIN
Seit geraumer Zeit werden die meisten Geräte auf den Pedalboards dieser Welt mit 9-V-Netzteilen versorgt. Im einfachsten Fall versorgt ein einzelnes Netzteil alle 9-V-Pedale. Hat besagtes Netzteil nur einen Ausgang, bedient man sich einer sogenannten „Daisy Chain“, um die Versorgungsspannung von Pedal zu Pedal durchzuschleifen. Häufig funktioniert das auch.
Da die Litzen der Daisy Chain in der Regel eher dünn sind (großer DC-Widerstand, aber auch induktiver Anteil – wichtig bei Digitalpedalen), erfolgt eine ungewollte Signalverkopplung über die Leitungen, insbesondere über die Masseleitung. Das System wird stör- und brummanfällig. Daher sind der Daisy-Chain-Lösung schnell Grenzen gesetzt.
Besser ist es, in solchen Fällen ein Netzteil zu nutzen, das mehrere getrennte 9-V-Ausgänge benutzt. Eine Verkopplung ist so weitestgehend ausgeschlossen. Komplizierter wird es bei der zusätzlichen Verwendung von Digitaleffekten. Diese generieren steilflankige Störungen mit zwangsläufig auch hohen Störfrequenzen, die schwer innerhalb der kleinen Pedalgehäuse zu dämpfen sind und unweigerlich auch in die Versorgungsleitung streuen. Bei der Analyse dieser Vorgänge findet man sich schnell im Dickicht der EMV-Theorie wieder. Ohne Not betritt man dies Terrain nicht freiwillig…
Um von vornherein die digitale Welt von der Analogen zu trennen, sollten am besten zwei getrennte Netzteile hoher Qualität benutzt werden. Eines versorgt den analogen Teil, das andere den störungsintensiveren Digital-Teil. Dies führt aber nicht zwangsläufig zu top Ergebnissen, da (wie erwähnt) die EMV mit ihren Störungen sehr undurchsichtig ist. Da bleibt dann nur noch der Griff zu Netzteilen mit galvanisch getrennten Ausgängen. Dies bedeutet, dass ein beliebiger Ausgang völlig getrennt zu einem weiteren Ausgang geschaltet ist. Von daher sind die Verkopplungen über die Speiseleitung extrem gering.
Aber es gibt noch eine weitere Verkopplung:. Die Transformatoren der Netzteile streuen ihre 50-Hz-Magnetfeldlinien, in den Raum. Diese potentielle Gefahrenstelle lässt sich nur dadurch minimieren, dass man auf Netzteile zurückgreift, die mit Ringkerntrafos ausgerüstet sind. Diese streuen bauartbedingt weit weniger als die üblichen Rechteck-Kernformen. Da aber natürlich auch hier noch geringe Einstreuungen auftreten, empfiehlt es sich, das Netzteil möglichst weit entfernt von den Pedalen zu platzieren.
TECHNISCHES NETZTEIL
Im einfachsten Falle besteht das Netzteil aus einem Trafo, dem sekundärseitig ein Gleichrichter-Arrangement und ein Siebelko folgen. Diese Schaltung hat aber den Nachteil, dass das noch gering vorhandene Restbrummen von der Höhe der Stromentnahme abhängig ist. Auch wird die sekundäre Nennspannung nur mäßig genau eingehalten. Daher wird hinter diese Schaltung ein Stabilisator IC gesetzt. Diese ICs sind elektrisch sehr einfach zu handhaben, sind nebenbei stabil in der Ausgangsspannung und kurzschlussfest. Wegen der internen Regelung der Stabilisatoren und dem damit verbundenen Konstanthalten der Ausgangsspannung ist ihr Innenwiderstand auch bei stark variierendem Laststrom sehr gering.
SCHALTNETZTEILE
Die klassischen 50-Hz-Netzteile haben schon so ein gewisses Gewicht und Raumbedarf. Schuld ist vor allem der voluminöse Trafo. Dieser errechnet sich unter anderem nach der Leistung, die er übertragen soll und nach seiner Arbeitsfrequenz. Vor allem die niedrigen 50-Hz-Netzfrequenz erfordern dann eben kräftige Kerne. Abhilfe schaffen da – einfach betrachtet – Arbeitsfrequenzen, die höher als 50Hz, am besten jenseits der Hörfrequenzen liegen, also größer als 20kHz. Mit solchen Frequenzen arbeiten Schaltnetzteile.
Ganz einfach gesprochen, funktioniert das dann wie folgt: Die Netzspannung wird zunächst gleichgerichtet, dann mit hoher Frequenz zerhackt (z.B. mit lastabhängiger Pulsweitenmodulation) und anschließend wieder gleichgerichtet und gesiebt. Man erspart sich auf diesem Wege die fetten Trafos und Ladeelkos. Diese Technik ist mittlerweile ausgereift, einzig die hochfrequenten Störstrahlungen machen in wenigen Fällen noch Probleme. Denn es ist nicht einfach, der erzeugten Gleichspannung, der ein ganzer Lattenzaun an Hochfrequenz-Spektren aufmoduliert ist, alle Störungen analog so weit wegzufiltern, dass es zu keinen Intermodulationen oder Rauschen kommt.
Gerade digitale Geräte können sich da modellabhängig sehr sensibel verhalten. Durch diese ganzen Filtergeschichten erreicht man auch keinen so geringen Innenwiderstand, verglichen mit dem konventionell stabilisierten Netzteilen. Deshalb sollte man besonders Schaltnetzteile intensiv auf dem eigenen Board testen.
POWER AKKUS
Seit einiger Zeit werden auch vermehrt Power Akkus fürs Pedalboard angeboten. In der Regel wird hier modernste Technik verwendet, z.B. Lithium-Polymer-Typen, die sich durch Forschung an effizienteren Akkus für die E-Automobil-Technik ergeben haben. Was den Einsatz in unserer Stompbox-Ecke anbelangt, gilt vieles des Gesagten über Batterien auch hier: Auch sie stellen eine perfekte Gleichspannungsquelle mit sehr geringem Innenwiderstand zur Verfügung. Nur beinhalten diese neuen Akkus eine geballte Ladung Energie – das geht hoch bis 10Ah bei erstaunlich kleiner Packungsgröße. Damit lassen sich Pedale über viele, viele Stunden hinweg betreiben.
An dieser Stelle will ich auch explizit erwähnen, dass durch die hohe Verzerrung der Distortion- und Overdrive-Pedale die gesamte Strecke einschließlich des Amps eine enorm hohe Eingangsempfindlichkeit im uV- Bereich (!) hat, sodass durch mangelhafte Kabelqualität oder ungünstiges Verlegen der Kabel schnell Netz-Störsignale oder HF-Störungen von Schaltnetzteilen eingestreut werden. Da hat ein 9-V-Akku klar die Nase vorn, da der gesamte Bereich des FX-Boards AC-frei ist. Im Power Akku existieren natürlich auch keine 50-Hz-Magnet-Streufelder. Ein weiterer Vorteil ist auch, dass das mit Akku bestückte Board keinen 230-V-Anschluss am Bühnenrand mehr benötigt.
DAS NETZ
Zu guter Letzt will ich noch das Netz als solches als Störursache benennen. Gerade in industriellen Ballungszentren wirkt es fast so, als würde jeder größere Verbraucher seinen Oberwellenunrat, hervorgerufen durch Phasenanschnitt- oder Pulsweitensteuerung, in das Netz abkippen. Diese unerwünschten Oberwellen in den Netzen bahnen sich fast unaufhaltsam den Weg über preiswerte Netzteile in unsere Signalkette – nur die hochwertigen (und meist auch teureren) Netzteile können diese Störungen wirkungsvoll rausfiltern. Ansonsten hilft die Installation eines separaten Netzfilters (wie z.B. der weit verbreitete Furman Power Conditioner). Doch hier ist Vorsicht angesagt: Viele solcher Filter haben häufig viel mehr eine esoterische als eine elektrische Filterwirkung. Andere hingegen beeinflussen den Ton, z.B. verlieren die Höhen an Durchsichtigkeit. Netzfilter also unbedingt vorher testen!
(erschienen in Gitarre & Bass 03/2018)
Sehr schöne, knackige Einführung in das Thema. Der Punkt “Power Packs” verdient IMHO mittlerweile eine genauere Betrachtung, da nach meinem Verständnis Powerpacks meist mit einer Steuerelektronik für Ladestrom und Regulierung der Ausgangsspannung versehen sind. Wenn diese zur Reduzierung der Verlust wieder als Schalt-“Netzteil” realisiert ist, gibt’s möglicherweise wieder Störungen. Ich freue mich schon auf den entsrpechenden Artikel in G&B mit hübschen Oszibildern von Bernd C. Meiser zum Thema (keine Ironie, ich meine das ernst!), der Markt an Handy-Powerpacks mit exteren Spannungs-“Regulierern” von 5V auf 9V und Spezial-Lösungen für’s Pedalboard ist mittlerweile groß genug, um einen Artikel mit ca. 3-5 Lösungen zu rechtfertigen.