Das elektronische Lautsprecherrelais "eLaRe"

Das hatte der HiFi-Welt noch gefehlt - die Gewissheit, dass kein Relaiskontakt den Musikgenuss stören kann!

Bester Klang - dauerhaft!

Einige professionelle Gerätehersteller wie z. B. Accuphase verwenden in ihren neuesten Verstärkern nur noch elektronische Lautsprecherrelais.

Mit dem „eLaRe“ bietet Amp-Master eine Umrüstlösung für fast jeden Verstärker an.

Wie war es bisher?

Elektromechanische Relais haben sich seit vielen Jahrzehnten bewährt. Einfacher Aufbau, zuverlässige Funktion und geringe Produktionskosten machten sie in der Telekommunikationstechnik, Haustechnik, Kfz-Technik und vielen weiteren Anwendungsgebieten unentbehrlich.

Vor allem die galvanische Trennung zwischen Steuerspannung und den zu schaltenden Stromkreisen unterscheidet das Relais von anderen elektrischen Bauteilen. Des Weiteren können eine Vielzahl von Schließ-, Öffner- und Wechselkontakten gleichzeitig betätigt werden.

Bei Audio-Geräten kommen Relais in der Eingangs- und Funktionsumschaltung und der Lautsprecherschutzschaltung vor.

Eingangs- und Funktionsumschaltung erfordern meist mehrere gleichzeitig betätigte Kontakte. Die zu schaltenden Spannungen, und damit auch die Ströme, sind sehr gering, der Kontaktverschleiß daher ebenfalls. Zudem sind die Gehäuse bei besseren Exemplaren mit Oxydation und Funken verhindernden Gasen gefüllt.

Im Unterschied dazu müssen Relais der Schutzschaltung mit rel. hohen Spannungen und Strömen umgehen können. Schaltet der Betreiber den Verstärker bei hohem Pegel an oder aus, muss der Kontakt evtl. 5A oder mehr durchschalten bzw. trennen. Schon bei wesentlich kleineren Strömen entstehen hierbei Funken, durch die wiederum Spitzen bzw. Krater in der Kontaktoberfläche entstehen. Durch Oxydation, Staub, Zigarettenrauch, Abrieb usw. bilden sich isolierende Bereiche auf den Kontakten.

Diese Vorgänge verändern schleichend den Übergangswiderstand und haben somit direkten Einfluss auf das Musiksignal, das den Schallwandler durchströmt.

Hierbei muss man sich klarmachen, dass an einem Kontakt, wenn er nur 0,5Ω Widerstand besitzt, ein neuntel, also fast 10%, der gesamten Energie abfällt, falls die Impedanz des Schallwandlers 4Ω beträgt.

Wie sieht ein typischer Relaiskontakt aus? Der Kontaktniet besteht aus Kupfer, Gold, Silber, Wolfram oder diversen Legierungen. Die Oberfläche kann versilbert oder vergoldet sein. Der Durchmesser beträgt ca. 1 bis 3mm, wobei sich deren Oberflächen wegen Krümmung nur punktuell berühren.  Der Kontaktniet ist mit den Kontaktfedern vernietet, die per Elektromagnet aufeinander zu bewegt werden. Der Kontaktdruck hängt von vielen Faktoren ab und kann sehr unterschiedlich sein. Die Kontaktfedern haben eine Querschnittsfläche von bis zu 0,8mm², was für Ströme bis ca. 15A geeignet ist.

Bei einem neuen Relais beträgt der Kontaktwiderstand ca. 8mΩ. Mit zunehmender Alterung kann der Widerstand auch mehrere Ohm betragen oder der Kontakt gar nicht mehr leiten.

Klanglich macht sich das v. a. durch einen verminderten Tieftonpegel bemerkbar, der zudem auch an Kontur verliert. Die korrekte Links-Rechts-Balance ist meist gestört bzw. ändert sich ständig.

Hinweis: Ein sehr hoher Pegel kann einen verschlissenen Kontakt leitfähiger machen - das nennt man "fritten".

Des Weiteren reagiert ein gealterter Kontakt auf Stöße oder Vibrationen mit schwankenden Widerständen. Darauf ist vermutlich die Empfindlichkeit einiger Verstärker auf vibrierende Stellflächen zurückzuführen.

Kurz zur Schutzschaltung: Sie schützt mittels Relais sowohl die Endstufe als auch die Schallwandler im Fehlerfall, wie z. B. bei Gleichspannung am Ausgang, HF-Schwingung, Kurzschluss, Überhitzung usw.. Durch eine Einschaltverzögerung hält sie die Schallwandler so lange von der Endstufe getrennt, bis sich die Versorgungsspannungen und Arbeitspunkte der Endstufe stabilisiert haben, beim Ausschalten trennt sie die Verbindung dagegen sehr schnell.

So ist es heute:

Mittlerweile sind elektronische Relais gang und gäbe in Industrieanwendungen, wie z. B. in der Kfz-Elektronik. Allerdings betragen die Leitwiderstände meist >20mΩ und die gewünschte Spannungsfestigkeit ist nicht mit der für Audiozwecke erforderlichen Strombelastbarkeit verfügbar. Zurzeit müssen die speziellen SMD-Bauteile also noch passend kombiniert werden.

Dabei handelt es sich um "Isolated Gate Driver" und Power-MOSFET-Transistoren.

Um Skeptikern die Sorge um Halbleiter im Signalweg zu nehmen: Der vom Musiksignal zu modulierende Strom fließt in Verstärkern fast ausschließlich durch Halbleiter.

Das "eLaRe" kann fast alle bisherigen elektromechanischen Lautsprecher-Relais in Leistungsverstärkern ersetzen. Das sollte überall dort funktionieren, wo die mechanischen Abmessungen es zulassen und wo die bisherigen Relaiskontakte nur eine Schließerfunktion haben.

Sollte es sich um Wechslerkontakte handeln, z. B. um die Lautsprecher ab- und den Kopfhörer einzuschalten, sollte man beim bisherigen Relais bleiben, sonst würde die Kopfhörerfunktion verloren gehen.

Die Machbarkeit des Austauschs lässt sich meist schnell anhand des Schaltplans feststellen, wobei Amp-Master gerne behilflich ist.

Das "eLaRe" kann in weitem Umfang an die vorhandene Steuerspannung, meist von der Schutzschaltung kommend, angepasst werden.

Die Vorteile des "eLaRe" sind absolute Verschleißfreiheit, sehr kleiner Kontaktwiderstand bzw. großer Dämpfungsfaktor und hohe Schaltgeschwindigkeit. Damit wird schleichender Klangverlust vermieden und ein erhöhter Schutz im Fehlerfall geboten. Ein Nachteil, falls es so empfunden wird, ist das fehlende mechanische Klickgeräusch.

Als universellste Variante bietet Amp-Master das eLaRe6st im Shop und bei eBay an.

Dessen MOSFET-Schalter sind seitens Hersteller mit einer Spannungsfestigkeit von 100V, einer Strombelastbarkeit von 30A (Ta=25 °C) und einem On-Widerstand von 2,7mΩ spezifiziert.

Da im "eLaRe" jeweils zwei davon in Reihe geschaltet werden, verdoppelt sich die Spannungsfestigkeit und der On-Widerstand.

Amp-Master spezifiziert das "eLaRe" aber mit Sicherheitsreserven. Das heißt, die Spannungsfestigkeit des "eLaRe" entspricht dem des einfachen MOSFET-Schalters. Der On-Widerstand wird mit  <6mΩ angegeben. Die Strombelastbarkeit orientiert sich an Platine & Anschlussdrähten und beträgt 15A.

Das optimierte Platinen-Layout hat eine Kupferdicke 210µm - üblich sind 35µm!

Die mechanischen Abmessungen betragen 29mm * 20mm * 15mm LBH und die Anschlussdrähte sind ca. 25mm lang.

Informationen zum Einbau siehe Einbauanleitung mit Skizze.

Zum Verständnis eine einfache Betrachtung für Gleichspannung/-strom und reeller Last:

15A an einer Last von 4Ω entspricht einer Leistung von 900W, an 8Ω 1.800W.

Oder, wenn ein 300W-Verstärker voll ausgesteuert würde, entspräche das einem Strom von nur 6A an einer 8Ω-Last.

Die Verhältnisse sind für Wechselspannung an komplexer Last natürlich nicht so simpel, aber im Prinzip vergleichbar.

Weitere Varianten für Mono-Endstufen und mit Stromfestigkeit bis 100A sind auf Anfrage möglich. Auch diskret aufgebaute Typen ohne Gehäuse werden vom Amp-Master in Verstärker eingebaut. Auf den Bildern erkennt man z. B. eine Kombination aus zwei TO-220-MOSFET's. Diese vertragen bis zu 100V, 100A und der Ron beträgt <6mΩ.

Das "eLaRe" kann von technisch versierten Kunden erworben und selbst eingebaut werden. Hierbei entfallen allerdings Schadenersatzansprüche sowohl für das "eLaRe" wie auch für das betreffende Gerät - siehe AGB.

Die Fa. Amp-Master bietet diesen Service, vorzugsweise im Rahmen einer Entstörung oder Restauration, natürlich an.

Zusammenfassung:

Vorteile "eLaRe":

• kein schleichender Klangverlust, da verschleißfrei
• höherer Dämpfungsfaktor und damit mehr Tieftonkontrolle
• kein negativer Einfluss von vibrierenden Stellflächen
• unterbricht schneller im Fehlerfall als ein elektromechanisches Relais
• kann fast jedes elektromechanische Lautsprecher-Relais ersetzen
• kleine Bauform
• sehr geringer Energiebedarf

 Nachteile "eLaRe":

• nicht so billig wie ein elektromechanisches Relais
• nur ein Schließer-Kontakt pro Kanal

 Vorteile des elektromechanischen Relais:

• billig
• robust und zuverlässige Funktion
• vielfältige Kontaktkombinationen möglich
• macht ein Geräusch bzw. signalisiert die Betätigung

Nachteile des elektromechanischen Relais:

• relativ träges Schalten
• meist geringe Kontaktfläche von <1mm²
• schleichender Kontaktverschleiß
• schwankender Kontaktwiderstand
• Einfluss durch Vibrationen der Stellfläche und/oder des Luftschalls möglich
• wegen meist sehr kurzer Löt-Pins können bei Austausch nur genau gleiche Ersatztypen verwendet werden
• nachlassende Verfügbarkeit von Ersatztypen