Hydra Scart-Switch Audiofix

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    • Hydra Scart-Switch Audiofix

      Öh, so, mein erstes Tutorial, ich versuche mich mal dran ;) Direkt vorweg: Wen die technischen Details nicht interessieren, der möge das Kapitel "Motivation" überspringen. ;)
      Wie manche schon mitbekommen haben, hat der Hydra SCART-Switch so seine Wehwehchen, was den Ton angeht. Lotharek hat inzwischen ja zugegeben, dass bei den ersten Exemplaren schlicht zu kleine Kondensatoren verbaut wurden (100nF statt lt. Schaltplan 10µF), aber IMHO ist das nur ein Teil des Problems.

      Disclaimer

      • Wer an seiner Hydra rumbastelt, tut das auf eigene Gefahr! Ich denke mal, die Garantie geht auch flöten.
      • Ich habe keine Ahnung von Elektrotechnik, es könnte also sein, dass ich falsche oder unübliche Begriffe verwendet oder falsche Schlüsse gezogen habe. Ich freue mich über Korrekturen in dieser Beziehung. ;)


      Motivation - wozu das ganze?

      Spoiler anzeigen

      Die falschen Kondensatoren sind an sich kaum erwähnenswert, weil es sich um einen offensichtlichen Bestückungsfehler handelt. Da trotzdem einige mit einem solchen Exemplar gestraft sind, setze ich ganz am Anfang an.

      Die Audioumschaltung erfolgt bei der Hydra mit 4066er Wald-und-Wiesen-CMOS-Switches. Das sind simple An/Aus-Schalter, deren Ausgänge alle zusammenlaufen und bei einem LM2902 Operationsverstärker landen. Dieser ist wiederum als invertierender Spannungsfolger konfiguriert (gibt also das eingehende Signal mit derselben Amplitude, aber invertiert und belastbarer, wieder heraus).

      Nun ist so ein 4066 nicht im gesamten Spannungsbereich linear, würde also in der Nähe von V- und V+ verzerren. Abhilfe: Die 4066er werden mit 12V betrieben. Das eingehende Audiosignal wird AC-gekoppelt und anschließend mit einer Biasspannung von 6V versehen. So wird der Arbeitspunkt in den linearen Bereich des 4066 verschoben.

      Die Problemlage:
      1. Die Koppelkondensatoren an den Eingängen sind deutlich zu klein (100nF). War wohl angeblich kein Design-, sondern ein Fertigungsfehler. (Hint: die 100nF-Kondensatoren sind wesentlich billiger.)
      2. Das Eingangssignal wird zu niederohmig mit der Biasspannung belastet. Daraus resultiert ein bemerkbarer Lautstärkeverlust, der auch mit getauschten Kondensatoren noch auftritt.
      3. Der LM2902-Opamp als Ausgangspuffer invertiert das Audiosignal unnötigerweise. Da beide Kanäle invertiert werden, ist das prinzipiell egal. Ich würde von einem zwischengeschalteten Stück Hardware aber erwarten, dass es sowas nicht tut (OCD) ;)
      4. Zudem schwingt der Opamp. Die Frequenz ist so hoch (ca. 450kHz), dass wohl jede Audiosenke sie direkt im Tiefpass verschwinden lässt, aber auf der Leitung ist die Schwingung erstmal da.
      5. (Der Audioausgang hat einen Gleichspannungsanteil von 6V. Abhilfe können weitere große Kondensatoren in Reihe mit den Opamp-Ausgängen vor der SCART-Ausgangsbuchse schaffen. Habe ich hier aber nicht weiter verfolgt, mir ist kein Gerät bekannt, das den Audioeingang nicht ohnehin AC-koppelt und die Gleichspannung so herausfiltert.)


      Als Testsignal diente ein 80Hz-Rechteck (50% Tastverhältnis), ausgegeben von einem SNES mittels sd2snes+MSU. Am Ausgang des SNES kommt das nicht mehr als perfektes Rechteck an, sondern hat ein leichtes "Gefälle". Das kommt von der AC-Kopplung, die bereits im SNES stattfindet. Deswegen besteht das "Rechteck" nun aus schiefen Ebenen statt Plateaus. Dieses Phänomen ist also nicht der Hydra zuzuschreiben, sondern im Kontext dieses Abrisses als "normal" anzusehen.

      So sah das dann aus, als ich die Hydra bekommen habe:

      Gelb: Signal direkt am SCART-Eingang
      Cyan: Signal am Eingang des Analogschalters (nach Kondensatoren+Bias)
      Magenta: Signal am SCART-Ausgang (nach Opamp)

      Das Eingangssignal wird an den Flanken etwas abgerundet, bis der 100nF-Kondensator voll ist (und somit auch am Switch nichts mehr ankommt). Dann erreicht es die volle Amplitude. Die "Abrundung" liegt in zu niedriger Eingangsimpedanz begründet -> mehr dazu in Schritt 2.

      Was nach den zu kleinen Kondensatoren noch übrig bleibt, spottet eigentlich jeder Beschreibung :D Mit Bass ist da nix zu wollen!

      Am dritten Signal sieht man die zusätzliche Inversion durch den Operationsverstärker und wenn man genau hinsieht, auch schon die Schwingung (an der Steigung nach der mittigen fallenden Flanke). Hier die Schwingung nochmal im Detail:



      Nicht so schön, nech.

      -> Schritt 1: Koppelkondensatoren tauschen

      Tauscht man nur die Kondensatoren wie von Lotharek beschrieben, erhält man dieses Ergebnis:

      Ich habe hier beim Experimentieren gleich 47µF statt 10µF verwendet, um möglichst tiefe Frequenzen zu erreichen. Nach Anpassung der Biasschaltung (s. Schritt 2) ist das aber nicht mehr unbedingt nötig, da tun es auch 10µF. Die Grenzfrequenz beträgt dann 1,6Hz mit 10µF und 0,33Hz mit 47µF - gibt beides genug Bass :s000:
      Sieht an sich fast gut aus, nur dass die Amplitude des Eingangssignals deutlich abgefallen ist. Die Wellenform ist hinter der fallenden Flanke irgendwie komisch verbogen. Außerdem ist der Ausgang immer noch invertiert und der Opamp schwingt jetzt fast noch schöner ;)

      -> Schritt 2: Biasschaltung anpassen
      Werfen wir mal einen Blick auf die Schaltung:

      Der Eingang des 4066 ist mit der Biasspannung verbunden. Der Spannungsteiler aus R8 und R10 ergibt 6V (dasselbe dann nochmal für den anderen Kanal mit R7 und R9) und das gekoppelte Audiosignal über einen 150Ω-Widerstand (R1; R2). R8 und R10 haben jeweils 4,7kΩ, was einer Eingangsimpedanz von 150Ω + 2350Ω = 2,5kΩ entspricht. Das ist ein bisschen wenig, ich kenne als Faustregel 10kΩ für Line-Level-Audioeingänge.

      Die Biasschaltung wird angepasst, so dass der Eingang weniger gedämpft wird. R7, R8, R9 und R10 werden durch 20kΩ-Widerstände ersetzt. Damit beträgt die Impedanz 10,15kΩ.

      So sieht das Signal jetzt aus:

      Die Amplitude ist wiederhergestellt und die komische Verkrümmung ist weg. :)

      -> Schritt 3: Opamp-Schaltung anpassen
      Bleibt noch der invertierte und schwingende Ausgang. Hierzu verdrahten wir den Opamp neu als simplen Spannungsfolger (Vout=Vin). Um die Schwingungen einzudämpfen, schlagen die Internetfachleute unterschiedlichste Strategien vor. Bei dem hier eingesetzten LM2902 hat nach einigem Rumprobieren eine einfache 4,7kΩ-Last am Ausgang am Besten funktioniert.

      Die Schaltung hinterher:


      Fertig! Und so sehen die Wellenformen am Ende aus:


      Ausgang identisch zum Eingang und es schwingt auch nichts mehr. ;)

      Im Folgenden geht es dann an die eigentliche Durchführung der Modifikation.


      Werkzeuge

      • Kreuzschlitzschraubendreher zum Entfernen der Acrylglasplatte an der Unterseite
      • Lötausrüstung zum Aus- und Einlöten der SMD-Bauteile und zur Verdrahtung
      • Filigranes Werkzeug zum Liften der Opamp-Pins


      Material

      Benötigt werden:
      • 2x 4,7kΩ-SMD-Widerstand, Gehäuseform 0603 - fallen bei der Modifikation der Opamp-Schaltung ab und müssen nicht extra beschafft werden.
      • 32x 20kΩ-SMD-Widerstand, Gehäuseform 0603 - vier Stück je Eingang.
      • Nur für frühe Hydras mit falschen Kondensatoren: 16x 10µF SMD-Keramikkondensator, Gehäuseform 1206 - zwei Stück je Eingang.


      Vorbereitung

      Um an die Bauteile zu kommen, muss die Bodenplatte der Hydra entfernt werden. Hierzu einfach die 10 Schrauben an der Unterseite lösen.

      Eingänge-Fix

      Schaubild:

      Bei den Eingängen sind zwei Punkte zu korrigieren. Wer bereits eine Hydra mit den richtigen Kondensatoren hat, kann den ersten Punkt ignorieren ;)
      1. Kondensatoren tauschen
        An jedem Eingang werden die zwei vorhandenen 100nF-Kondensatoren C1x und C2x (x=Suffixbuchstabe des jeweiligen Eingangs - A-H) ausgelötet und durch die 10µF-Kondensatoren ersetzt.
      2. Eingangsimpedanz korrigieren
        An jedem Eingang werden die 4,7kΩ-Widerstände R7x, R8x, R9x und R10x ausgelötet und durch die 20kΩ-Widerstände ersetzt.


      Ausgangs-Fix

      Schaubild:

      Der Fix am Ausgang ist etwas aufwendiger, muss dafür aber nur einmal je Hydra gemacht werden ;)
      1. Widerstände entfernen
        R39, R40, R41 und R42 werden entfernt. Zwei beliebige davon brauchen wir gleich noch, also aufbewahren.
      2. Opamp-Pins liften und verdrahten
        Pins 3 und 5 vom Opamp werden geliftet und wie gezeigt mit den äußeren Pads von R39 und R41 verbunden (rote Verbindungen)
      3. Opamp-Pins verbinden und Last anschließen
        Pins 1-2 und 6-7 vom Opamp werden jeweils gebrückt. An Pin 1 und 7 wird außen je ein 4,7kΩ-Widerstand angelötet und jenseitig mit Masse verbunden (Vorschläge für Massepads siehe Bild - blaue Verbindungen)


      Kontrolle

      So kann das dann aussehen, wenn alles fertig ist. Ich hatte die 20k-Widerstände gerade nur in 0805 parat, daher sind die etwas zu groß für die Footprints. ^^;

      Beim Einschalten der Hydra sollte nichts knallen oder stinken! Wenn alles geklappt hat, sollte der Ton jetzt voller (bei vorher falschen Kondensatoren) und in jedem Fall lauter klingen.

      Ich wünsche gutes Gelingen :)
      Fragen / Anregungen gerne.
      ^o^)~

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    Inhaltsverzeichnis

    1. Disclaimer
    2. Motivation - wozu das ganze?
    3. Werkzeuge
    4. Material
    5. Vorbereitung
    6. Eingänge-Fix
    7. Ausgangs-Fix
    8. Kontrolle