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Antwort auf: Lautsprecher-Umschalter Nordhausen 2019

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Rundmacher

Hallo,
nach mehreren Wochen intensiv genutzter Zeit ist es soweit, ein ausgiebig getesteter Lautsprecherumschalter wartet auf den Einbau in sein Gehäuse.
Kurz zusammen fassend darf ich nochmals auf den zum Jahresendtreffen 2019 vom Lianenschwinger präsentierten Lautsprecherumschalter hinweisen, er stieß auf reges Interesse bei der anwesenden Community, nicht zuletzt war es der bequemen Steuerung per Fernbedienung geschuldet und die komfortable Anzeige der Schaltzustände über eine LCD Anzeige bewirkte ein Übriges.
Zum täglichen Hörgenuss benötigt man solch ein Gerät nicht zwingend, sobald sich aber ein paar Neugierige vor mehreren stolz präsentierten Lautsprechern zu einer Hörsession versammeln ist das eine andere Geschichte.
Die schnelle Umschaltung zwischen verschiedenen Lautsprechern erlaubt einen direkten akustischen Vergleich, unser Ohr vergisst bereits nach wenigen Sekunden dramatisch, das ist nachgewiesen.
Die PM an Lianenschwinger war schnell geschrieben „kann ich so einen fertigen Mikrocontroller bekommen, mit der Fernbedienung?“
Ja, war die Antwort, den Controller gibt es gerade für umsonst im Internet, die FB da geht jede, du brauchst nur den Code auszulesen.
Ups, das war der Punkt, die Fernbedienung, ich werde zum Mitmachen eingeladen. Ich hätte auch antworten können „Ich schick dir meine, sei so gut und sende sie mir zurück mit dem programmierten Controller“, ich weiß das dies von Erfolg gekrönt gewesen wäre.

Also, es ging rein in die Mikrocontrollerwelt. Heute existiert in meinem Mailprogramm ein eigener, gut gefüllter Unterordner ‚Lianenschwinger‘. Das dortige Staccato-Brainstorming führte recht rasch zu der Feststellung das wir parallel und ergänzend an diesem offenen Projekt arbeiten werden, gern sind weitere Teilnehmer eingeladen. Es ist nicht so dass wir exakt am gleichen Gerät werkeln, es geht auch nicht darum wer einen ‚besseren‘ oder ‚flexibleren‘ Umschalter entwickelt.
Mikrocontroller unterstützte Lautsprecherumschalter sind selbstverständlich im großen weltweiten Web bereits vereinzelt vorgestellt worden, vielleicht finden sich trotzdem neue Wege wenn sich ein paar Leute aus einem ausgewiesenen hochkarätigen Lautsprecherforum der Sache gemeinschaftlich annehmen.
Daher werden wir in lockerer Folge verschiedene Varianten von Lautsprecherumschaltern vorstellen. Unser gemeinsames Grundkonzept ist eng mit der Hardware verknüpft, die mehr oder weniger modulare Bauweise erlaubt eine praxisnahe Aufrüstung oder Erweiterung von einzelnen Features.
Dieses vom Lianenschwinger, ich darf das einmal ausdrücklich erwähnen, professionell programmierte ursprüngliche Projekt ist nach wie vor die Basis für alle weiteren Varianten. Mit einer Fernbedienung schalten wir zwischen verschiedenen Eingangsquellen, verschiedenen Leistungsverstärkern und natürlich verschiedenen Boxenpaaren um, per kleinem Display wird das wichtigste angezeigt.

Nach den ersten Mails kamen bei mir als unbedarften Quereinsteiger schnell bange Fragen auf, meine Meinung war rasch kundgetan, „minimieren, schauen was einfacher geht, wenn möglich Kosten senken“ aber trotzdem keine Abstriche bei der Funktionalität zulassen.

Drei zentrale Punkte wurden fixiert:
• Es soll nachbausicher sein
• Es muss nachbausicher sein
• Und drittens, das wichtigste: das muss richtig nachbausicher sein

Damit der grobe Überblick zwischen den einzelnen Lautsprecherumschaltern nicht verloren geht wurde in bewährter Manier eine sprechende Kurzbenamsung gewählt, aus dem Lautsprecherumschalter wird ein LSU und ein paar angehängte Ziffern schlüsseln seine Schaltfähigkeiten in der Reihenfolge Quelle/Verstärker/Lautsprecher auf.
Ich beginne mit dem minimalistischen LSU022, das Kennenlern-Projekt.
Er schaltet zwei Leistungsverstärkerausgänge wahlweise auf zwei Lautsprecherpaare.
Das reicht vollends aus um zwei verschiedene Boxenpaare unmittelbar vergleichen zu können, gleichzeitig kann zwischen zwei angeschlossenen Verstärkern gewählt werden.
Auf eine Quellenumschaltung habe ich vorerst bewusst verzichtet, Lianenschwinger arbeitet u.a. gerade intensiv an der ersten 0 hinter dem LSU.
Im unten vorhandenen Schaltbild sieht man den LS Bus, wir sind von der Baum- auf eine Busstruktur gewechselt. So kann ganz einfach auf beliebig (!) viele Lautsprecherpaare erweitert werden. Während zwischen zwei Leistungsverstärkern umgeschaltet wird können die Lautsprecher wahlweise einzeln zugeschaltet oder auch komplett getrennt werden.
Die erste Neuerung, die Bleeder. Im korrekten Deutsch heißen sie Ersatzlastwiderstände, sie sind unumgänglich bei der Einspeisung von Röhren-Amp’s. Sollte es zur direkten Unterbrechung der Lautsprecherverkabelung kommen würde sich der Amp im Leerlauf befinden. Vom Ersatzschaltbild stellt er eine Konstantstromquelle dar welche im hochohmigen Fall die eingespeiste Leistung nicht abgenommen bekommt, es kommt zur Spannungsüberhöhung. Zusätzlich entsteht ein induktiver Hochspannungs-Rückschlag, der Ausgangsübertrager speist seine gespeicherte Energie rückwärts ein. Während die Endröhren das zumeist kurzzeitig verkraften hat der teure Ausgangsübertrager kaum eine Chance, es kann zum unreparablen Wicklungsdurchschlag kommen. Im modernen industriellen Antriebsbereich ist dieses physikalische Gesetz präsent wie eh und je, werden induktive Aktoren schlagartig abgeschaltet muss die gespeicherte Energie umgewandelt werden (in der E-Mobilität ist das als Rekuperation willkommen) und die dafür zugeschalteten Leistungswiderstände werden mit der Bezeichnung „Bleeder“ geführt. Ich habe das übernommen, die Bezeichnung Kokelwiderstand fiel hier auch schon. 😉 Das ist ein ganz altes, ausdiskutiertes Thema, da gibt es auch nichts Neues, wir achten streng auf die Berücksichtigung dieser Tatsache im Projekt.
Im Programm des Mikrocontrollers ist unter allen Umständen Sorge getragen das niemals ein Verstärker ohne angeschlossene (Bleeder)Last leerläuft!
Den Sabotagefall abfangen, wenn jemand bei laufendem Röhrenverstärker zur angeschlossenen Lautsprecherbox geht und die Kabel zieht, so weit sind selbst wir -noch- nicht.
Die Verdrahtung des Leistungsteils ist in untenstehender Abbildung skizziert, die damit unbegrenzt weitere Anschaltung von Lautsprechern an den Bus ist ersichtlich.
(die GND Leitungen brauchen nicht verdrahtet werden, da hat sich der LSU026 bereits hineingeschummelt)
Nach dem PowerUp sind alle Lautsprecher vom Bus getrennt, im LCD ist das mit „LAUTSPRECHER: OFF“ sichtbar.
VS1 ist auf den Bus geschaltet und alle Bleeder sind ON was auf dem Display ebenso angezeigt wird.

Ein Schaltbeispiel für die Umschaltung von VS1 auf VS2:
• Fernbedienung sendet VS umschalten
• alle Bleeder ON (K1-K4 fallen ab)
• delay
• auf VS2 umschalten (K5 – K8 ziehen an)
• delay
• Wenn LS1 oder LS2 zugeschaltet ist:
o Bleeder2 OFF (K3 -K4 ziehen an)
o delay
• Sonst bleiben alle Bleeder ON

Das delay, die programmierte Zeitverzögerung sorgt dafür das der folgende Schaltbefehl garantiert erst nach dem sicheren Ende des gerade laufenden mechanischen Schaltvorganges gestartet wird, undefinierte Schaltzustände werden so verhindert. Diese Zeitverzögerung der Relais ist messbar, mit einem Sicherheitsfaktor von drei oder fünf ist sie Millisekunden genau festgelegt. (übrigens eine feine Sache, im Programm habe ich testhalber das delay auf 2 sec. hochgesetzt und konnte so minutenlang alle Schaltspiele ausgiebig bei einem Kaltgetränk beobachten 😊)

Zur Hardware.

Der verwendete Mikrocontroller ist der bewährte Arduino, ich habe die handlichere UNO Variante eingesetzt, sie ist funktionskompatibel zu dem kleinen Nano.
Die Arduino Gemeinde ist seit vielen Jahren etabliert, sie hat sich erfolgreich eine eigene kleine Welt geschaffen, somit kann ich auf eine zuverlässige Entwicklungssoftware zurückgreifen. Die Programmieroberfläche, IDE genannt, die Programme selber heißen sketche und das oft verwendete Schalt-, Verdrahtungs- und Leiterplattenprogramm nennt sich fritzing.
Das preußische fritzing jpg, wieder am Ende des Beitrages sichtbar.
Das zentrale Steckbrett, auf welchem externe Bauelemente verdrahtet werden dient zum labormäßigen Aufbau, die Realisierung des endgültigen Aufbaus bleibt jedem selber überlassen.
Ein paar Darstellungs-Tricks sind nötig bei dem Bild, die Bauteilbibliothek von fritzing hat nur eine begrenzte Anzahl von Bauteilen. Mein Meanwell Netzteil z.B. wird durch eine Blockbatterie als 12 V Spannungsquelle ersetzt, in der Praxis genügt wirklich jedes beliebige 12 V Netzteil. Die grünen Verstärkereingangsklemmen sowie die Lautsprecherchassis stellen die Ein- und Ausgänge dar, i.d.R. unsere Polklemmen am Gehäuse. Der UNO, der KY 022 IR-Sensor und das Display incl. I2C Shield sind oft verwendete Standardbauteile.
Die Relaiskarte ist für unseren Anwendungsfall ideal. Sie entkrampft die Verdrahtung ungemein. 16 Relais mit jeweils einem Umschalter, angesteuert über einen Treiber-IC mit zusätzlichen Optokopplern. 12 V Versorgungsspannung, intern über einen Step-Down Wandler auf 5 V gewandelt. Wer genau hinschaut sieht die drei kleinen U-förmigen hell gefärbten Drahtbrücken auf der Leiterplatte, das ist jeweils die Zusammenschaltung von vier Einzelrelais was den Verdrahtungsaufwand weiter dezimiert. Die Kontaktbelastbarkeit von 15 A in unserem Anwendungsfall ist mehr als ausreichend.
Jede weitere Relaiskarte vergrößert die Anzahl der umschaltbaren Lautsprecherpaare um vier Stück, die Kosten mit knapp 12 € für eine Karte sind sehr überschaubar.
Der KY-022 Sensor für den Empfang der IR-Signale erhöht -arduino typisch- das Investitionsvolumen um ein bis zwei Euro, ebenso der nötige Multiplex-IC MCP23017.
Die 5 V für die IC’s sowie das Display gewinne ich minimalistisch aus der Relaiskarte, der dortige Step-Down IC ist ausreichend.

Als Fernbedienung ist eine Hama Big Zapper eingesetzt, Stichwort Codeliste 2393. Diese Codelisten sind in vielen programmierbaren Fernbedienungen vorinstalliert (so auch in der Hama) und wer eine solche besitzt braucht die Liste nur im Fernbedienungssetup auszuwählen. Natürlich kann auch jede andere Fernbedienung verwendet werden wenn die einzelnen Tastencodes ausgelesen werden. 😉

Der individuelle Aufbau ist wie immer beliebig gestaltbar. Ob arduino UNO mit kleinen Stiftleisten, ein arduino Nano auf einer Lochrasterplatte oder eine Leiterplatte, alles ist möglich. Der größte Drahtverhau entsteht an der Relaisplatte, aber nicht an der 20 poligen IN-Buchsenleiste sondern an der Schaltkontaktverkabelung. Die Relais erlauben den Anschluss von max. 1,5 mm² Querschnitt. Soll mehr benötigt werden lötet man mehrere Litzen zusammen und verjüngt oder verwendet miteinander verbundene, schraubbare Reihenklemmen als Querschnittsextender.

Alle benötigten Dateien sind beim Filehorst downloadbar, das PW wie immer @ADW@.
https://filehorst.de/d/dgyvwDoB

Die Grafiken in voller Auflösung, die fritzing Datei selber und wer selber Compilieren und an den Arduino übertragen möchte noch die notwendigen Bibliotheken.
Das ausführliche PDF der Relaiskarte sowie weitere PDF Dateien zu den Bauteilen findet man u.a. kostenfrei bei az-delivery. Die eigentliche sketch-Programmdatei (LSU022.ino) gebe ich per PM gern weiter. Der sketch ist im Status KVP (kontinuierlicher Verbesserungsprozess) und daher nicht beim Filehorst, z.B. zeige ich momentan in der untersten Displayzeile den aktuellen Bleederstatus an, ursprünglich stand dort die von mir nicht realisierte Quellenumschaltung. Mein Programmierchef hat gemeint ich soll es dort wieder rausnehmen. 😊

Zum Thema programmieren, niemand muss hier befürchten das er sich in die Arduino Welt begeben muss. Wir sind in einem Forum zum Hauptthema Lautsprecherbau, da sollten keine Befehlszeilen diskutiert werden, das ist dann selbst in der Rubrik „Randbemerkungen“ Offtopic.
Die *.ino Datei auf den Arduino übertragen ist genauso aufwändig wie ein Hypex-Aktivmodul am PC zur Anzeige zu bringen, an Hardware ist ein USB Kabel nötig.
Die Programmiersoftware (die IDE-Entwicklungsumgebung, ca. 500 MB) kann man von der Arduino Homepage frei downloaden, sie wird permanent gepflegt.

Oder man schickt uns eine PM.

Das war es auch schon zum LSU022, weitere Relaiskarten warteten bereits auf einen sinnvollen Verwendungszweck. Der grundlegende Teil der Arbeit war erledigt, ab jetzt wird es interessanter und so ging es ohne größere Pause gleich zur ersten innovativen Erweiterung, der LSU026 welcher bereits in die Zielgerade einbiegt.

Gruß Rundmacher

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