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Forum: Analoge Elektronik und Schaltungstechnik Schaltnetzteil für Audio.Endstufe


Autor: Nikola Tesla (nikolatesla)
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Ich arbeite gerade an einer 5-Kanal-Endstufe mit 5xTDA7293.
Zur Versorgung brauche ich +-35V bei je 5A, die aus normaler 
Netzspannung gewonnen werden sollen.

Bei meinen Recherchen las ich aber oft, dass die Regelung von 
gewöhnlichen Schaltnetzteilen mit der extrem variierden Stromaufnahme 
von Audiostufen große Probleme hat.

Ist an diesem Vorurteil bezüglich der Regelung etwas dran?
Und wie kann man dieses Problem umgehen?

: Verschoben durch Admin
Autor: Sven (Gast)
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Hi.

Ich würde von einem Schaltnetzteil abraten.
Ein konventionelles Netzteil klingt einfach besser.

Autor: MaWin (Gast)
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Nein, die Regelung ist nicht das Problem,
das Problem ist, daß Musik sehr impulsförmig ist.

Der TDA7293 begrenzt den Strom erst bei typisch 6.5A, maximal 10A, und 
liefert in einigen lauten Musikpassagen damit auch deutlich mehr als die 
100W, mämlich auch mal 650W.
Nicht auf Dauer, klar, damit bekäme er Kühlproleme die ja schon ab 65W 
einsetzen, aber Musik hat halt mässige Dauerleistung und nur kurze 
Spitzen.
Die, wenn sie nicht durchkommen, zu schlechter Wiedergabequalität 
führen.

Das schöne bei konventionellen Netzteilen ist: Sie haben einen Siebelko 
und der liefert kurzzeot auch immens viel Strom, und selbst 
Gleichrichter und Trafo sind einige Zeit dramatisch mehr belastbar, als 
der Dauernennstrom des Netzteil vermuten lässt.

Für 5xTDA7293 wäre als ein 2 x 32V / 8.2A = 525VA konventionelles 
Netzteil ausreichend, aber ein Schaltnetzteil müsste nicht auf den 
Mittelwert, sondern auf die mögliche Spitzenverbrauch ausgelegt werden, 
weil es eben NICHT überlastet werden darf und NICHT per Siebelko mal 
eben für 1/100 Sekunde unendlich viel Power hat (die Siebelkos müssen 
dort nur 1/100000 Sekudne reichen).

Macht für 5xTDA7293 2 x 45V / 32.5A = 2925 Watt. Das wird teuer.

Ein konventionelles Netzteil passt also viel besser zur eher thermische 
begrenzten Leistung von Musik als ein Schaltnetzteil. Erst bei grossen 
Endstufen wo der Trafo wirklich zu schwer würde baut man 
Schaltnetzteile. Die stehen dann typisch auch auf der Bühne und laufen 
sowieso nur am Anschlag.

Autor: Nikola Tesla (nikolatesla)
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Genau diese ständigen Spitzenleistungen meinte ich mit extrem 
variierender Stromaufnahme.

Kann man nicht ein Schaltnetzteil ebenfalls mit Elkos von etwa 10mF 
unterstützen, solange für den Start eine Art Sanftanlauf eingebaut wird?
Zb ein Leistungswiderstand der nach dem laden über eine gewisse Spannung 
von einem Fet gebrückt wird?

Autor: Guest (Gast)
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Was spricht dagegen einen Siebelko zwischen Endstufe und Schaltnetzteil 
einzubauen?b

Autor: S. Matlok (smatlok)
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Sven schrieb:
> Ich würde von einem Schaltnetzteil abraten.
> Ein konventionelles Netzteil klingt einfach besser.

Ja, man könnte natürlich mittels DSP die Schmutzeffekte einer 
50Hz-Gleichrichtunng mit all ihren Oberschwingungen im hörbaren Bereich 
künstich reinspielen, dann könnte man auch mit einem Schaltnetzteil eine 
konventionelle Netzteilstufe simulieren, wenn man der Meinung ist: 
"klingt einfach besser". Man könnte ja noch ein paar dB unter dem 
Nutzpegel diverses Rauschen einfügen, je nach Laune und virtueller 
Schallplatte.

Ansonsten verzichtet man auf Esotherik und verwendet (falls man möchte - 
Gewicht? Kosten? vs. Entwicklungszeit?) ein Schaltnetzteil mit stabiler, 
schneller Regelung. Die Schaltfrequenz ist in jedem Fall viel höher als 
die Audiosignale, und somit niemals hörbar, egal wie schlecht die 
Endstufe und Filterung auch immer sein mag.

Alles nur ein regelungstechnisches Problem um die Spannung in der 
Toleranz zu halten (was ja recht großzügig ausgelegt werden kann)

Und wie du und andere schon sagten, selbst wenn man sich es nicht 
zutraut ein überlastfähiges SNT zu bauen, kann man ja immernoch einen 
x-mF Elko einbauen.

Softstart kann man natürlich einbauen, aber in dem Fall muss wohl 
aufgrund der Belastungdformen die Regelung über den gesamten Bereich so 
stabil sein, dass sie auch mit einem Einschalt-Sprung zurecht kommen 
sollte.

Autor: Nikola Tesla (nikolatesla)
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S. Matlok schrieb:
> Softstart kann man natürlich einbauen, aber in dem Fall muss wohl
> aufgrund der Belastungdformen die Regelung über den gesamten Bereich so
> stabil sein, dass sie auch mit einem Einschalt-Sprung zurecht kommen
> sollte.

Ich wollte für die Entwicklung des SNTs auf einen integrierten 
Controller zurückgreifen und dessen Regelung könnte die große Kapazität 
für einen Kurzschluss halten und abschalten, darum die Idee mit dem 
Sanftanlauf.

Welche SNT-Topologie würdet ihr für diesen Einsatz empfehlen?
Und welchen Controller?

Autor: huhu (Gast)
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>Die Schaltfrequenz ist in jedem Fall viel höher als
>die Audiosignale, und somit niemals hörbar, egal wie schlecht die
>Endstufe und Filterung auch immer sein mag.

Ja ja träume doch bitte weiter, es soll auch soetwas wie ein 
niederfrequentes Signal geben, dessen Grundschwingung um ein vielfache 
hochfrequenter ist.

Autor: S. Matlok (smatlok)
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huhu schrieb:
>>Die Schaltfrequenz ist in jedem Fall viel höher als
>>die Audiosignale, und somit niemals hörbar, egal wie schlecht die
>>Endstufe und Filterung auch immer sein mag.
>
> Ja ja träume doch bitte weiter, es soll auch soetwas wie ein
> niederfrequentes Signal geben, dessen Grundschwingung um ein vielfache
> hochfrequenter ist.

"Es soll soetwas wie Blabla geben" ^^ köstlich ;-)

Evtl meinst du Subharmonische durch die Regelung? Oder Schleifeneffekte 
in einer Peak-Current Regelung? oder oder oder..

Autor: S. Matlok (smatlok)
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Nikola Tesla schrieb:

> Ich wollte für die Entwicklung des SNTs auf einen integrierten
> Controller zurückgreifen und

Integrierter Controler ist sicher guter Ansatz wenn man sich Zeit und 
Nerven sparen will.

dessen Regelung könnte die große Kapazität
> für einen Kurzschluss halten und abschalten, darum die Idee mit dem
> Sanftanlauf.

Ja, darum darf die Regelung ja auch bei Großsignalsprüngen keine 
riesenwerte am Ausgang haben. Stichwort Limitierung einzelner 
Regelungsparameter. Bei Überlast könnte die Schaltung z.B. in einen 
Konstantstrom-Modus gehen, womit sich das Problem erledigt hat.
Siehe auch Anti-Windup für I-Anteil (wobei der hier wohl nicht gebraucht 
werden wird)

>
> Welche SNT-Topologie würdet ihr für diesen Einsatz empfehlen?
> Und welchen Controller?

Uff, hab ich keine konkrete Empfehlung. Die Aufgabe ist wohl mit fast 
jeder Topologie möglich. Ich würde mir evtl. erstmal Gedanken über einen 
Forwardwandler machen, den ich im DCM betreibe. DCM deshalb, um in jeder 
Schaltperiode zwischen 0% udn 100% Regeln zu können. Für die 
Speicherdrossel würde ich mir ein gutmütiges Material suchen, was keine 
steile Sättigungskurve zeigt um Überlastfähigkeit zu ermöglichen.

Controler würde ich die üblichen Verdächtigen (NXP, TT, etc..) abgrasen 
und schauen mit welchem man was anfangen kann.

Autor: huhu (Gast)
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Ja was denn^^, ist doch so...

Autor: S. Matlok (smatlok)
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S. Matlok schrieb:

> Ich würde mir evtl. erstmal Gedanken über einen
> Forwardwandler machen, den ich im DCM betreibe.

DCM und BCM. Also bei niedriger Leistung einhalten einer Maximalfrequenz 
durch DCM, im Nennlastbereich und besonders für Überlast dann 
Frequenzvariabel BCM.
Meistens ist ein Forwardwandler in vielen Appnotes für CCM ausgelegt, 
wobei man dann eben Probleme mit der Überlastfähigkeit und der 
Regelstabilität hat (ASM ergibt hierbei ein schwingfähiges PT2-System, 
gut linear beschreibbar, aber mit ungekannter Last ungünstig zu Regeln, 
gefahr von Windup des Stromes bei Überlast/sättigender Drossel).

Aber sicher auch möglich :-)

Autor: MaWin (Gast)
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> Was spricht dagegen einen Siebelko zwischen Endstufe und
> Schaltnetzteil einzubauen?

Wie gross soll der sein ?
Die "Überlastung" (d.h. Musikimpulse lauter als der Mittelwert)
können länger dauern, länger als die 1/100 Sekunde, die der
Siebelko im konventionellen Netzteil durchhalten muss (dem
dann gleich der Netztrafo mit massivem Ladestrom aufhilft).

Selbst wenn wir nicht die minutenlange thermische Trägheit eines
konventionellen Netzteils durch den Elko simulieren wollen,
sondern nur die thermische Trägheit des ICs, müsste man wohl
schon mehrere Sekunden überbrücken, also mehr als 100F bei
50V einbauen.

Autor: S. Matlok (smatlok)
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MaWin schrieb:
>> Was spricht dagegen einen Siebelko zwischen Endstufe und
>> Schaltnetzteil einzubauen?
>
> Wie gross soll der sein ?

Hmm, da müsste wohl geklärt werden ob der Verstärker überhaupt in diesen 
"Musik-Schranz-Kratzmodus" getrieben werden soll. Eine Überlast von mehr 
als 1/10 Sekunde ist ja nicht nur mal ein Paukenschlag, sondern ein 
verzerrtes Gedröhne, auch bei linearem Netzteil. Man hört hierbei ja 
auch in Form von Scheppern, wie du schon sagtest, das Nachladen des 
Elkos.

Evtl einfach eine Überlast von 150% für ein paar Sekunden, kombiniert 
mit thermischer Überwachung, einplanen und dafür ein Limiter bauen, 
welche die Musik auf überhaupt brauchbare Pegel herunterregelt, falls 
die Virtuosität des DJ's oder des Schnittes des Action-Blockbusters 
durchgeht :-) ?

Einsatzzweck..?!

Autor: Ulrich (Gast)
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Direkt kann man die HF Störungen nicht hören, aber die HF Störungen 
können an nicht so guten Vrstärkern demoduliert werden. Man kann so 
indirekt die modulation der HF Störungen höhren, z.B. als Übersprechen 
auf andere Kanäle. Wirklich störend wird das aber in der Regel nicht 
sein, wer braucht schon 120 dB Kanaltrennung - die LPs kamen kaum auf 30 
dB.

Ein einfaches Netzteil mit Trafo, Gleichrichter und Elkos hat auch so 
seine Probleme. Es treten ohne Drossel an den Elkos / Gleichrichtern 
ziehmlich hohe Strompulse auf, und die können Induktiv in den Verstärker 
einkoppeln. Dann hat man Störungen bei 50Hz  100 Hz  150 Hz  und all 
Oberwellen. Außerdem wird auch der Trafo damit nie ganz Lautlos sein - 
das Brummen/Summen des Trafos kann zur wesentlichen Störquelle werden. 
Nicht elektrisch, sondern direkt akustisch.

Mit großen ( >70 W) konventionellen Netzteilen hat man ein Problem die 
Vorschriften zum Leistungsfaktor einzuhalten (wenn man die nicht wie oft 
einfach ignoriert). Man wird da also als allermindeste zusätzlich zu den 
normalen Schaltungen noch eine realtiv große Drossel brauchen und 
bekommt damit eine ungewollt weiche Ausgangsspannung. In der Regel läuft 
es dann auf aktives PFC hinaus. Damit hat man auch wieder einen 
Schaltregler drin, der allerdings bei kurzen Spitzen ggf. Übergangen 
werden kann, dann aber mit einem Einbruch der Spannung um einige 10%.

Auch ein SNT das für die Spitzenlast ausgelegt ist, muß nicht so teuer 
werden. Auch beim SNT kann die Spitzenleistung größer als die 
Dauerleistung sein, und größere SNTs werden nicht so viel teurer.

Autor: Nikola Tesla (nikolatesla)
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Der Verstärker wird keinesfalls an seine Grenzen getrieben, obwohl der 
TDA7293 nach meinen Messungen auch Problemlos etwa 80Wrms in 8Ohm 
schiebt sofern man ihn entsprechend kühlt. Ich habe ihn für diese 
Messung an einen alten CPU-Kühler aus Athlon XP-Zeiten geschraubt, die 
Last war ein 8Ohm Leistungswiderstand.

Aber warum muss man sich denn nun überhaupt um überlastung des Netzteils 
sorgen wenn ein 10mF-Kondensator als Puffer bereitsteht?

Eine weitere Idee kam mir vorhin noch: Was würde passieren wenn man 
einen HF-Trafo mit festem Tastverhältnis betreibt, also wie einen 
normalen NF-Trafo, nur mit höherer Frequenz?

Dadurch hätte man doch ein Verhalten wie ein normales Netzteil nur ohne 
Frequenzen im höhrbaren Bereich, geringe Größe und geringes Gewicht?

Autor: S. Matlok (smatlok)
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Nikola Tesla schrieb:

> Aber warum muss man sich denn nun überhaupt um überlastung des Netzteils
> sorgen wenn ein 10mF-Kondensator als Puffer bereitsteht?

Ja, das kommt auf die Art der "überlast" an. Kurze Pulse lassen sich mit 
einem Elko wegpuffern, längere Passagen dagegen nur mit einem 
Überlastfähigem Netzteil, welches nicht sofort abschaltet.

Autor: Klaus Ra. (klara)
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Hallo Nikola,
lass Dich nicht beirren. Ein Schaltnetzgerät wäre für Deinen Zweck schon 
eine gute Lösung. Ich habe mich seit Mai mit diesem Thema beschäftigt. 
Eine gute Quelle für Ideen ist:
http://www.diyaudio.com/forums/power-supplies/
Dort findest Du alles mögliche. Einige Verrückte bauen sogar 
Schaltnetzgeräte im KW - Bereich. Wenn Du so ungefähr weisst was Du 
bauen willst, dann wird Dir diese Seite helfen:
http://schmidt-walter.eit.h-da.de/smps/smps.html
Ein gängiger Controller ist der SG3525. Du wirst unter diyaudio eine 
ganze Menge Schaltungen finden. Ich habe mich für einen Halbbrücken-
Durchflusswandler entschieden. Die Schalttransistoren müssen da nur die 
einfache Spannung schalten können. Der IRFP460a ist da ein gängiger 
MOSFET. Reichelt hat den IRFP460, Der IRFP460a (Conrad) ist aber besser 
im Schaltverhalten, kostet aber auch etwas mehr.
Ich muss dazu noch erwähnen, dass ich das Schaltnetzteil mit LTSpice 
simuliert habe. Ohne Simulationen würde ich so ein Projekt nicht mehr 
angehen wollen. Nicht zuletzt deswegen habe ich mich auch für den UC3825 
als Controller entschieden. Ein sehr guter Artikel ist:
http://focus.ti.com/lit/ml/slup083/slup083.pdf
Ich brauche ebenfalls zwei Sekundärspannungen. In der Simulation fing 
ich mit 1000uF bei den Ladeelkos an. Dann habe ich die konstante Last 
durch wechselseitig geschaltete Widerstände ersetzt um so einen 50 Hz - 
Rechteck zu simulieren. Es stellte sich heraus, das Schaltnetzteil 
lieferte brav die konstante Spannung über (+UB)-(-UB), aber der 
belastete Teil baute ab und der unbelastete nahm an Spannung zu. Hier 
helfen nur grössere Ladeelkos, mindestens 4700uF besser 10000uF bei ca. 
7 A.
Primär habe ich 470uF/400V und 2 x 470uF/400V getestet. 470uF sind etwas 
wenig. Die Spannung bricht dann ziemlich ein. Das kann man zwar 
ausregeln lassen, aber besser sind 2 x 470uF/400V. Bei Schaltnetzteilen 
muss man auf den zulässigen Rippel achten. Sekundär hab ich da keine 
Probleme. Die Speicherdrosseln begrenzen Stromspitzen. Primär geht aber 
das Netz voll auf die Ladeelkos. Da treten Ströme auf die ich so nicht 
für möglich gehalten habe. Einschaltspitzen von 30A und mehr sind da 
üblich. Auch hinterher, wenn die Elkos geladen sind, bleibt es kritisch. 
Die Halbwelle ist 10 ms lang. Geladen werden die vollen Elkos nur 2-3 ms 
lang. Entsprechend hoch ist der Strom, 3-4 mal so hoch wie der 
Dauerstrom.
Deshalb habe ich mich auch für ein PFC, zu deutsch: Leistungsfaktor- 
Vorregelung) entschieden. Hier ist der LT1238 für mich der Favorit. 
Unter LTSpice ist der Controller sogar mir einer fertigen Schaltung zu 
finden.
Mit PFC reichen mir 470uF/400V. Ich stelle die Spannung auf max. 370 V 
ein.
Ein sehr guter Lieferant für Ferrite und HF-Litze ist:
http://www.spulen.com/
Ach so, PFC und Halbbrücken-Durchflusswandler lasse ich mit 200 KHz 
laufen. 300 KHz wären vielleicht auch möglich, jedoch möchte ich es 
nicht übertreiben. In der Simulation sieht man das der IRFP460a so an 
die Grenzen kommt.
Gruss Klaus.

Autor: MaWin (Gast)
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> Aber warum muss man sich denn nun überhaupt um überlastung des
> Netzteils sorgen wenn ein 10mF-Kondensator als Puffer bereitsteht?

Ganz einfach:
Mein Text war die technische Hintergrunderklärung für Sven's:

> Ich würde von einem Schaltnetzteil abraten.
> Ein konventionelles Netzteil klingt einfach besser.

Und daß 10mF nicht reichen,
hab ich dann in Beitrag "Re: Schaltnetzteil für Audio.Endstufe"
erklärt.

Für guten Klang musst du das SNT grosszügig auslegen.
Kann man machen.

Autor: S. Matlok (smatlok)
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Nikola Tesla schrieb:

> Eine weitere Idee kam mir vorhin noch: Was würde passieren wenn man
> einen HF-Trafo mit festem Tastverhältnis betreibt, also wie einen
> normalen NF-Trafo, nur mit höherer Frequenz?

Theoretisch möglich, wird aber nur bei kleinsten DCDC-Wandlers so 
gemacht

> Dadurch hätte man doch ein Verhalten wie ein normales Netzteil nur ohne
> Frequenzen im höhrbaren Bereich, geringe Größe und geringes Gewicht?

Ja, mit all den Nachteilen:
- Nachladespitzen an den Flanken, welche für relativ hohe Schaltverluste 
in den Mosfets sorgen. Benötigt daher auch wieder größeren Kühlkörper.
- Störungen im NF-Bereich werden von Verstärker direkt an das Stromnetz 
weitergegeben und umgekehrt!
- Du hast eine ungeregelte Ausgangsspannung
- Hohe Welligkeit der Ausgangsspannung durch das 50Hz Gleichrichten
- Du brauchst einen größeren Glättungskondensator am Eingang um die 
Spannung einigermaßen konstant zu halten
- Jede EMV-Richtlinie um Faktor x100 gesprengt
- Du brauchst 4 Mosfets statt 2 oder 1nen sowie deren 
Treiber/Ansteuerung.

Dagegen bräuchte man "nurnoch" eine geeignete Drossel am Ausgang und 
eine Regelung im Bauteilwert von 50 cent, und schon hat man einen 
Luxus-(Vollbrücken)-Vorwärtskonverter.
Es macht unterm Strich keinen Sinn auf das letzte Bauteil zu verzichten 
und sich damit viele Nachteile einzuhandeln.

Autor: Klaus Ra. (klara)
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Hallo WaWin,
zumindest für mein Schaltnetzteil, einen Halbbrücken-
Durchflusswandler, sind 10mF für 7A Last ausreichend. Das Schaltnetzteil 
pumpt ja auch während der Entladung Strom in diesen Zweig. Der andere 
Zweig wird natürlich stärker aufgeladen. Nach 10ms läuft +Ub von 90V auf 
90,8V wobei -UB auf 89,2V geht und das bei 7A.
Würdest Du für +UB und -UB je ein extra Schaltnetzteil einsetzen, so 
hättest Du einen linearen Verlauf. Das heisst, ich kann dann mit der 
Kapazität des Ladeelkos heruntergehen. Hier spielt aber der zulässige 
Rippel wieder eine Rolle. Ich denke aber 2,2mF - 3,3mF müssten genügen.
Aber mal was anderes zum Thema. Warum packt man 47mF und mehr in 
klassische Netzgeräte? In der Regel sind diese Anlagen hochwertig. Der 
PSRR (Power Supply Rejection Ratio) liegt beim LME49830 zum Beispiel bei 
105 dB. 100 dB sind 10E5. Das hiesse in meinem Fall, 0,8V/10E5 = 0,9µV. 
Wer kann schon 0,8µV an 8 Ohm bei 50 Hz hören?
Gruss Klaus.

Autor: MaWin (Gast)
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> zumindest für mein Schaltnetzteil, einen Halbbrücken-
> Durchflusswandler, sind 10mF für 7A Last ausreichend.

Um die Spannung bei Nennlast aufrechtzuerhalten.

> Aber mal was anderes zum Thema. Warum packt man 47mF und mehr in
> klassische Netzgeräte?

Je nach Strom.

> Wer kann schon 0,8µV an 8 Ohm bei 50 Hz hören?

Kommt drauf an wie weit man verstärkt.


Klaus, du hast ein Netzteil gebaut, Schön.
Du hast es auf eine bestimmte Leistung ausgelegt, Schön.
Es funktioniert bis zu der leistung und wird darüber einbrechen.
Das ist normal.
Die Frage ist, ab wann das auslegungsgerecht passiert:
Bevor der Audioverstärker einbricht oder danach ?

Alles was ich schrieb war, daß ein SNT dicker ausgelegt sein muß als man 
erwartet, weil es im Gegensatz zum konventionellen Netzteil nicht so 
viele Reserven hat.

Autor: Klaus Ra. (klara)
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Hallo MaWin,
ich habe das Schaltnetzteil nach Schmidt-Walter ausgelegt.
http://schmidt-walter.eit.h-da.de/smps/smps.html
Dort sind gewisse Reserven eingerechnet. Das betrifft in erster Linie 
Unter- und Überspannung des Netzes. Gleichzeitig erlaubt es bei 
Normalspannung eine Überlast. Netzschwankungen regelt ein 
konventionelles Netzgerät nicht aus.

>> Wer kann schon 0,8µV an 8 Ohm bei 50 Hz hören?
 >Kommt drauf an wie weit man verstärkt.

Die Verstärkung erledigt der Treiber, z.B. der LME49830. Diese 
Versorgungsspannung kann man leicht stabilisieren. Dazu genügt schon 
eine Diode mit anschliessender Siebung. Die Powerstufe hat eine 
Spannungsverstärung von <= 1. Also bliebe es bei 0,8uV am Ausgang.
Gruss Klaus.

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