Elektronisches HD Stufenpoti
T.Hartwig-ELektronik
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Audiomodule
Testbericht in 
HOBBY-HiFi 5/2014
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64 Stufen Präzisionsschaltung
Stufenpoti 64-HD Präzision in Vollendung mit 64 Stufen
Geschickte Netzwerkschaltung mit nur sechs High-End Kleinsignal-Relais mit NiPdAu Nanoschicht-Kontakten und 6 Spannungsteilern mit TKD-Widerständen, ansteuerbar durch ein 6-Bit Signal. 1,25dB Stufen bis -77,5 dB. Gleichlauffehler im Mittel: 0,005dB, max: 0,02dB. Abweichung von der Log-Kurve: max 0,15dB s. Messwerte
Das Anschluss-Verhalten entspricht dem eines echten analogen Schleifpotis.
seit 2014
 

Die Steuer-Elektronik hat keinen Einfluss auf das Tonsignal
Dieses Relais-Stufenpoti erreicht mindestens die Präzision und den überragenden Klang eines bisher gewohnten mechanischen High-End Stufenschalters.
Allerdings stehen hier mehr Stufen als üblich zur Verfügung, und die Herstellungskosten sind wesentlich geringer, als die der mechanischen Meisterwerke.
Funktionsprinzip: Sechs Relais schalten auf perfekte Weise sechs präzise Spannungsteiler, wodurch 64 Werte möglich sind. Gleichzeitig bleibt die Funktion eines realen Schleifpotis erhalten, jedoch mit einer wesentlich höheren Genauigkeit. Eine Ansteuerschaltung sorgt dafür, dass das Widerstands-Netzwerk einen gleichmäßig logarithmischen Anstieg des Tonsignales in 64 Stufen bewirkt, entsprechend des binären 6-Bit-Wortes.
Einfacher Austausch gegen herkömmliches Schleif-Poti
Die Skizze links (anklicken) zeigt das Anschluss-Schema des 64-HD. Es ist leicht zu erkennen, wie es gegen ein herkömmliches Schleifpoti ausgetauscht werden kann.


Ansteuerschaltung AD-08
Verwendet wird ein klassisches Schleifpoti hoher mechanischer Qualität und sehr gutem Drehfeeling. Die Qualität des Steuer-Potis hat hier keinen Einfluss auf den Klang, da es nur die Steuerspannung für den A/D-Wandler bereitstellt. Das eingesetzte Poti besitzt ein gutes Drehfeeling, kann aber je nach Verfügbarkeit vom Foto abweichen. Der A/D-Wandler wandelt die Steuerspannung von 0-5V in ein 6-Bit Signal um, welches über sechs Kabel zum Modul 64-HD geführt wird. Dadurch ist eine bequeme Einstellung der Lautstärke möglich, wie man es bisher von einem üblichen Schleifpoti gewohnt ist. Das Modul ist gegen undefinierte Zustände, wie sie beim Ein- oder Ausschalten der Betriebsspannung auftreten könnten, geschützt.
Dieses Steuer-Modul kann beliebeig viele Stufenpoti-Module ansteuern, z.B.
4 x 64-HD für symmetrischen Betrieb, 8 x 64-HD für 7.1 Anwendungen,
16 x 64-HD für 7.1 symmetrisch, oder noch mehr.


Ein günstiges Motorpoti mit 6mm Achse für eine Fernbedienung ist ebenfalls gegen einen Aufpreis verfügbar. Dieses muss nach Auslöten des montierten blauen Potis über eine dreiadrige Kabelverbindungen mit dem Modul AD-08 verbunden werden, da das Motorpoti nicht auf die Leiterplatte passt. Es kann auch jedes andere Motorpoti mit einem Wert von 5-10klin verwendet werden.
Dadurch erhält man ein höchst seltenes fernbedienbares Stufenpoti. Ein Motorantrieb für einen mechanischen Stufenschalter wäre mit einfachen Mitteln nahezu unmöglich.
Die gezeigte abgeflachte Achse ist auch für Knöpfe mit runder Bohrung geeignet.


Stereobetrieb
Das Foto links zeigt eine komplette Stereoanordnung mit zwei übereinander montierten und durchverbundenen Stufenpoti-Modulen, angesteuert von einem AD-08. Für symmetrischen Stereobetrieb werden vier Stufenpoti-Module an ein Steuermodul angeschlossen.
Sollte das blaue Dreh-Poti aus Platzmangel nicht inkl. montierter Leiterplatte an die Frontplatte passen, so kann es abgelötet und einzeln an die Frontplatte montiert werden. Die Verbindung zur Leiterplatte wird dann mit drei Drähten hergestellt.
Beliebig viele Ebenen - eine gemeinsame Ansteuerung

Mono - Stereo - Vierkanal - symmetrischer Betrieb - usw
Für eine Stereoanordnung werden zwei Module 64-HD benötigt.
Es können jedoch beliebig viele weitere Ebenen des Stufenpotis übereinander montiert und durchverbunden werden, und von einem Steuermodul AD-08 angesteuert werden, z.B. vier Module für symmetrischen Betrieb, oder wie auf den Fotos zu sehen, acht Module für Mehrkanalübertragung. Auch können bei Bedarf verschiedene Werte kombiniert werden.
< Das Foto links zeigt, wie einfach alle Module durchverbunden werden können. Dadurch wird die Verdrahtung der Anschlüsse stark vereinfacht.
Der Eingangswiderstand der 6 Steuer-Eingänge beträgt jeweils 100 kOhm. Das Steuermodul kann bis zu 1 kOhm treiben. Es wäre also theoretisch denkbar, mit dem Steuermodul bis zu 100 Stufenpotis anzusteuern.

Viele weitere Gestaltungsmöglichkeiten
Beim Einsatz mehrerer Stufenpoti-Module 64-HD müssen diese nicht unbedingt in einem Block oder an einer Stelle montiert werden. Um möglichst nah an Endstufen- oder sonstigen Eingängen zu sein, können die Module beliebig aufgeteilt werden, z.B. Einbau in getrennten Monoblöcken, oder in mehreren Endstufe für 7.1, usw.
Die 6-adrige 6-Bit Steuerleitung kann vom Steuergerät AD-08 beliebig lang von Modul zu Modul durchgeschleift werden.
Auch ist eine Abtrennung des blauen Steuerpotis auf dem AD-08 möglich, um dieses Poti mit einer beliebig langen 3-adrigen Leitung mit dem AD-08 zu verbinden. Dadurch ist eine bequeme Kabelfernbedienung möglich.
Messergebnisse
mit
Keysight 34461A
Tol. 0,002%
< Hier sehen Sie die Messergebnisse aller 64 Stufen eines Stereopotis. Das Maß der Gleichlaufabweichungen der einzelnen Stufen ist auf die Gesamtserie übertragbar. Es werden 0,5% TKD-Widerstände eingesetzt. In jeder Stellung wird der Gesamtwert des Potis von 10kOhm auf +1,5% / -1% eingehalten.
Somit sieht die Signalquelle im Gegensatz zu einigen ähnlichen Schaltungen immer präzise die gleiche Last.
Betriebsart
Aufgrund der Schaltungsart kann das Stufenpoti nur gemäß Betriebsart Nr.1 eingesetzt werden und nicht als ohmscher Widerstand, wie in Nr.2 abgebildet.

Das Poti lässt sich daher nicht auf herkömmliche Weise mit einem Ohmmeter messen. Die ermittelten Werte würden in keinem Zusammenhang mit der Lautstärkekennlinie stehen, da die sechs Spannungsteiler beim Durchschalten in einer komplexen Weise ständig unterschiedlich verschachtelt werden.

Eine Gleichlaufmessung kann nur in der Betriebsart Nr.1 erfolgen, indem am Eingang eine Spannung angelegt wird und dabei die Ausgangsspannungen miteinander verglichen werden.


Relais mit NiPdAu-Kontakten
Die verschiedenen Kombinationen der TKD-Widerstands-Spannungsteiler werden mit sechs High-End Relais mit NiPdAu Kontakten eingestellt, hergestellt von AXICOM, eines der weltweit führenden Hersteller von Telekomunikations-Relais. Ein Nickel-Palladium-Gold Kontakt verhält sich beim Schließen ähnlich einer verschweißten oder verlöteten Verbindung. Wegen dieser hervorragenden Eigenschaft wird diese Legierung schon lange in der Micro-Draht-Bondtechnik in Halbleitern eingesetzt.
In unserem Modul 64-HD wird durch diese Kontaktgabe eine besonders neutrale und klanglich reine Übertragung möglich.
Nicht zuletzt wegen der gleichbleibenden Kontakteigenschaften über eine ungewöhnlich lange Lebensdauer sind diese Relais in unserem Stufenpoti die allerbeste Wahl.
Außerdem setzen wir Relais mit zwei Wechslern ein, obwohl nur einer benötigt wird. Beide werden parallelgeschaltet, wodurch sich der Übergangswiderstand halbiert und eventuell klanglich beeinflussende Übergänge sich noch einmal minimieren.
Andere verwenden beide Wechsler oft für eine Stereoanordnung in einem Modul. Das kommt bei uns nicht in Frage, da es dadurch möglicherweise zu einem stärkeren Übersprechen kommen kann.
Auf den Fotos sind 7 Relais zu erkennen. Eines schließt das Ausgangssignal in der ersten Stellung (000000) kurz, damit wirklich alles AUS ist -sonst hätte diese Stellung noch -78,75 dB.

77,5 dB Regelbereich  -  1,25dB/Stufe
Der Abstand von 1,25dB pro Stufe reicht aus, um sehr fein einstellen zu können, da eine solche Stufe gerade noch als Änderung wahrgenommen wird. Der Gesamtbereich von -77,5 dB ist optimal ausgelegt und bietet noch Reserven. Viele Stufenpotis schwächen oft nur bis ca. -65dB ab, was in einigen Fällen nicht genügend weit heruntergeht. Insbesondere bei laut aufgenommenen CDs, und/oder bei Lautsprechern mit sehr hohem Wirkungsgrad ist die kleinste Stufe dann immer noch zu laut.
Das Problem, im leisen Bereich nicht fein genung einstellen zu können, ist damit gelöst. Wird dieses Poti in einer reinen Passiv-Vorstufe (ohne Verstärkung) eingesetzt, könnte der Anfangsbereich sehr leise sein.


Toleranz - Gleichlauf
Die Toleranz des Gesamtwertes eines analogen Schleifpotis beträgt in der Regel 10% oder mehr.  Die beiden Bahnen eines 10kOhm Stereo-Schleifpotis können also in der Praxis einen Wert zwischen 9- und 11kOhm zueinander aufweisen, was aber nichts mit dem Gleichlauf zu tun hat, solange das Teilungsverhältnis in jeder Stellung gleich bleibt.
Das 64-HD weist eine Toleranz des Gesamtwertes von max 1,5% auf. Somit besteht immer ein konstanter Abschlusswert an vorhergehende Signalstufen. Nicht alle Relais-Stufenpotis auf dem Markt können das aufweisen.
Die angeschlossene Last hat immer einen Einfluss auf die Log-Kurve eines Potis. Insbesondere bei hohen Lautstärken, wenn der Bahnwiderstand vom Schleifer gegen Masse einen hohen Wert aufweist, was aber in der Praxis keine bedeutende Rolle spielt. Allenfalls in der 2 bis 3 Uhr Stellung wäre eine kleine Delle in der Lautstärkekurve zu messen und das auch nur wenn der Lastwiderstand so klein ist, dass er den Wert des Potis erreicht oder unterschreitet. Der folgende Lastwiderstand sollte daher bei jedem Poti mindestens etwas größer sein, als der Bahnwiderstand. z.B. ab 15kOhm aufwärts bei einem 10kOhm Poti.
Beim 64-HD ist dieses Verhalten identisch, da es sich wie ein reales analoges Schleifpoti verhält. Beim Tausch gegen ein Schleifpoti bleibt somit das Anschlussverhalten gleich. Das ist nicht bei allen Relais-Stufenpotis selbstverständlich.

Schaltgeräusche
Bedingt durch die stufenweise Umschaltung können beim Drehen des Drehknopfes mehr oder weniger leise Schaltgeräusche enstehen, wie sie auch bei Stufenschaltern möglich sind. Bedingt durch die schlagartige Umschaltung zwischen zwei Pegeln verhält sich die Signalspannung im Moment des Schaltens wie ein Teil einer Rechteckspannung, was als leises Knistern wahrgenommen werden kann. Am deutlichsten tritt es bei reinen Einzeltönen, wie z.B einer Flöte, auf. Bei einem komplexen Signal gehen diese Geräusche im Frequenzgemisch nahezu unter.
Hinzu kommt, dass an manchen Positionen mehrere Relais ihren Zustand ändern, z.B. wenn in Mittelstellung (Pos 31/32) fünf öffnen und eines schließt. Obwohl hier Relais verwendet werden, die nur 1ms Schaltzeit benötigen, können nie alle absolut gleichzeitig schalten. Auch dadurch kann bei reinen Signaltönen an manchen Schaltstellen ein Umschaltknistern wahrgenommen werden. Ohne Signal treten keinerlei Geräusche auf, es sei denn, die Signalspannung ist von einer Gleichspannung überlagert.
Alle Schaltgeräusche werden hörbarer, wenn sehr leise Grundpegel vorhanden sind, da sich der Geräuschspannungsabstand proportional verringert. Ebenso sollte der Wert des Potis nicht unnötig hoch gewählt werden (siehe Hinweise zum benötigten Wert eines Potentiometers).
Diese Transienten mögen für den einen oder anderen ein kleiner Wermutstropfen sein bei einem Poti, dass ansonsten außergewöhnlich perfekt arbeitet und klingt. Wie gesagt, alle genannten Geräusche treten nur beim Verändern der Lautstärke auf - während ein Signal anliegt.

Schaltgeschwindigkeit
Durch eine Anzugs- /Abfallzeit von 1ms gibt es beim schnellen Durchdrehen des Steuerpotis keinerlei Verzögerungen, Unterbrechungen, oder sonstige undefinierte Zustände. Selbst bei einer Drehgeschwindigkeit des Knopfes von links nach rechts  in 0,5 Sekunden schalten sich die Relais in dieser Zeit sauber durch alle 64 Positionen.


Die Betriebsspannung für das 64-HD-Modul beträgt 24-30V Gleichspannung (DC) und die Stromaufnahme ca. 15-55mA pro Modul  (je nach angezogenen Relais) Diese Spannung hat keinen Einfluss auf das Widerstandsnetzwerk, da eine Ableitschaltung dafür sorgt, dass verschiedene elektrische Felder - auch die innerhalb der Relais - ausgeglichen werden.
Die angeschlossene Spannungsversorgung darf aber keinen Bezug zum Potentiometer (Widerstandsnetzwerk) haben, bzw. darf nicht aus dem Gerät abgegriffen werden, in welches das Poti eingebaut wird, sondern muss aus einem separaten Netzteil erfolgen.
Es kann eine einfach gesiebte Spannung verwendet werden, z.B. auch ein Steckernetzteil. Werden mehrere Ebenen betrieben, können alle Module, einschl. dem Steuermodul AD-08, von einem gemeinsamen Netzteil mit 24-30V betrieben werden. Sollte bei z.B. 8 Ebenen (120-450mA) ein Netzteil nicht genügend Strom liefern, können auch zwei oder mehr verwendet werden. Allerdings müssen die Minuspole aller Module 64-HD mit dem Minuspol des zugehörigen Steuergerätes miteinander verbunden sein.
Bei Bedarf bieten wir ein gutes linear geregeltes 11Watt Stecker-Netzteil an (24V/450mA, kein Schaltnetzteil).
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Passiv-Vorstufe  Aufbau-Vorschlag
Die Qualität dieses Stufenpotis hat uns animiert, schon während der Entwicklung eine rein passive Vorstufe mit einzubeziehen. Das Niveau einer solchen Vorstufe ist ganz oben angesiedelt und hat das Zeug für eine Weltreferenz. Man hat das Gefühl, dass sich absolut gar nichts mehr im Signalweg befindet - so, als wäre gerade Bahn gemacht worden für das letzte steckengebliebene Detail. Daher lässt sich der Klang nur mit den einfachen Worten beschreiben:

Sie fügt nichts hinzu - sie lässt nichts weg - sie ist gar nicht da.

Natürlich lässt sich diese Beschreibung des Stufenpotis auf den Einsatz in allen aktiven Vorstufen übertragen.
Jede Vorstufe ist damit in der Lage, ihr höchstes Level zu erreichen - möglicherweise in einem bisher nicht vorstellbarem Ausmaß. Als kleine zusätzliche Option kann ein einschleifbarer Übertrager, wie unten im Bild zu sehen, mit eingebaut werden, um einen eventuell zu niedrigen Ausgangspegel auszugleichen. Dadurch ist eine passive Verstärkung möglich, die dank des riesigen linearen Übertragungsbereiches des Übertragers von 100kHz alle komplexen Einschwingvorgänge der Musik zeitrichtig "durchreicht".


VIDEO
Stufenpoti
64-HD.mp4
24MB
Passiv-Vorstufe
aufgebaut mit 2 x 64-HDw, 1 x AD-08, 2 x Übertrager
1 x 4-Kanal-Eingangswahl, 1 x Umschalter, Gehäuse GHX 31-18-06
Dieser Aufbau stellt ein Optimum dar. Gezeigt ist unser Stufenpoti in Stereoausführung in Verbindung mit einem Übertrager, der per Tastendruck eingeschleift werden kann. Je nach Übertrager kann eine passive Verstärkung erreicht werden. Ideal in dem Falle, wo durch die fehlende Verstärkung eine Endstufe nicht voll ausgesteuert werden kann
Fotos: Unser Laborprototyp  
VIDEO
Eingangswahl
DTAG-4.mp4
12MB
Elektronische 4-Kanal Eingangswahl
Das Eingangswahl-Modul (ganz links) ist mit den gleichen hochwertigen NiPdAu-Relais bestückt wie das Stufenpoti. Die Ansteuerung geschieht durch einfache Tipptasten, die eine Flip-Flop-Schaltung ansteuern, wodurch alle Relais sich gegenseitig auslösen. Dadurch können teuerste mechanische Drehschalter ersetzt werden.
Rechts daneben ein kleines Umschalt-Modul mit den gleichen Relais, um den Übertrager einzuschleifen - ebenfalls durch einen einfachen Druckschalter ansteuerbar. Diese beiden Schaltmodule sind ebenfalls lieferbar. Siehe hier
Gesamtpreis wie auf Foto: ca. 850 Euro
Stromversorgung durch Steckernetzteil
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Preise
Stufenpoti-Modul 64-HD
Für den Stereobetrieb werden zwei Module benötigt, ebenso eine Ansteuerschaltung

64-HD mit TKD-Audiowiderständen
Typ
Wert
EUR
64HD-010w
10klog
128,00
64HD-047w
47klog
128,00

Ansteuerschaltung AD-08
Inkl. montiertem Poti
Es können beliebig viele Stufenpoti-Module 64-HD angesteuert werden
Typ
Euro
AD-08
46,00

zusätzliches Motorpoti 2x10klin, einfache Ausführung.
Achse: 6x18mm; Gewinde: M9x7mm; Zubehör. 1xMutter M9
Spannung: ca. 6VDC (je nach Drehzahlwunsch), Strom 30/60mA
Das Motor-Poti ist nicht für übliche Lautstärkeeinstellungen geeignet.
Typ
Euro
RCS16-10 / 2x10klin
15,00

Steckernetzteil 24V-DC/450mA
Linear geregelt - kein Schaltnetzteil. Zur Versorgung von bis zu 8x64-HD + Ansteuerung AD-08. Lieferung inkl. DC-Einbaubuchse.
z.B. ur Versorgung von Passiv-Vorstufen und andere Anwendungen, wo kein Netzteil im Gehäuse untergebracht werden soll.
Typ
Euro
STN-24DC
26,00

Analognetzteil NT-7-12
Auf 1x24V-30VDC/250mA einstellen z.B. zur Versorgung unserer Signalsteuermodule, wenn das Netzteil im Gehäuse untergebracht werden soll. Einstellbare geregelte Spannung (auf das Foto klicken). 
Technische Daten 64-HD
Betr.Spg:
24-30V DC
Stromaufnahme bei 25V:
15-55mA
Steuerspannung:
3-30V, 6-Bit binär
Eingangswiderstand:
6x100kOhm
Stufen:
64
Stufe 0:
Aus
Stufe 1:
-77,5dB
Stufe 64:
      0 dB
Stufenabstand:
1,25 dB
0,005 dB (w)
Gleichlauffehler max:
0,020 dB (w)
Maße LxBxH:
85x45x8mm

Technische Daten AD-08
Betr.Spg:
9-30V DC max!
Stromaufnahme:
5mA
Ausgang:
6/8 Bit TTL-5V
Anschluss-Last:
8 x >1kOhm
Maße LxBxH:
45x45x8mm (o.Poti)
Poti Höhe:
24mm
Poti-Achse:
d=6mm; L=10mm
Poti-Gewinde:
M9x10mm
Zubehör:
2xMutter M9

Hinweise zum benötigten Wert eines Potentiometers.
Der Wert des Potentiometers wird in kilo-Ohm angegeben. Der Verlauf der Spannungsabsenkung verläuft bei einem Lautstärkesteller in klassischen Schaltungen logarithmisch (10klog = 10kilo-Ohm/logarithmisch).
Der Wert beeinflusst nicht merkbar die Lautstärkekennlinie beim Drehen, wenn der Widerstandswert der nachfolgenden Last am Schleifer mindestens den ein- bis zweifachen Wert des Potis aufweist.
Die Höhe des Potiwiderstandes sollte so gering wie möglich sein. Dadurch ergeben sich bessere Werte in Bezug auf Störspannungsabstände usw. Der geringstmögliche Wert richtet sich nach der vorrausgehenden Signalquelle. Diese "sieht" das Poti als Last. Das Poti sollte nicht unter einem Wert von dem 5- bis 10-fachen Wert des Innenwiderstandes der Signalquelle liegen (nicht zu verwechseln mit dem minimalen Lastwiderstand, dieser kann bedenkenlos angeschlossen werden.)

Befindet sich das Poti im Eingang einer Schaltung setzt man in der Regel 10k/log ein. Signalquellen können normalerweise 2kOhm bis 10kOhm treiben. Es sei denn, mann möchte den Vorverstärker universell gestalten, und auch alte Tuner oder Tonbandgeräte o.ä. anschließen können. Dann ist ein Wert von 50k  zu empfehlen.
Ausnahme: Das Poti sitzt zwischen zwei Röhrenstufen. Dann sollte man den vorhandenen oder empfohlenen Wert einhalten, da dieser an den meist relativ höheren Quellwiderstand der vorhergehenden Stufe angepasst sein muss.

Ansonsten kann in Röhrenschaltungen auch ein 10kilo-Ohm Poti bevorzugt werden, wenn es klassisch im Eingang sitzt. Der nachfolgende, meist hohe Widerstand der Röhrenschaltung, hat keinen Einfluss auf die Kennlinie des Potis.


 
Das Kribbeln bleibt nicht erspart