Rauscharmes Netzteil für den Raspberry PI mit Hifiberry

Für meinen Musikplayer mit Raspberry Pi verwendete ich bisher ein einfaches Schaltnetzteil. Das war bei einem Handy dabei. Über die Qualität kann ich leider keine Aussagen machen. Im Internet liest man häufig, dass ein rauscharmes Netzteil weniger Störungen verursacht. Es wird vorgeschlagen, ein klassisches längsgeregeltes Netzteile zu verwenden. Diese sollen für “Audio-Anwendungen” besser geeignet sein.

Rauscharmes Netzteil: Was bringt das für den Raspberry Pi?

Vorweg muss ich sagen, dass ich mit der Audioqualität meines Musikplayers sehr zufrieden war. Beim Stöbern im Internet bin ich aber immer wieder auf die Aussage gestoßen, dass ein Schaltnetzteil nicht optimal wäre. Als Grund wird oft die “unsaubere” Ausgangsspannung genannt.

Das von mir bisher verwendete Schaltnetzteil ist ein einfaches Handynetzteil. Hier kommt es nicht darauf an, dass die Ausgangsspannung möglichst wenig Störungen aufweist. Ein einfaches längsgeregeltes Netzteil ist in dieser Beziehung wesentlich besser.

Die Überlegung ist nun: Ändert sich das Audio-Signal des Musikplayers, wenn ich ein anderes rauscharmes Netzteil verwende? Im Großen und Ganzen hängt das von der Schaltung des Musikplayers ab. Wird z.B. die Spannung hier noch mal aufbereitet, hat das Netzteil wahrscheinlich keinen Einfluss.

Um festzustellen, ob es Einflüsse des Netzteils gibt, habe ich mir folgendes überlegt: Der DAC auf dem Hifiberry muss aktiv sein. Das tut er nur, wenn er etwas zu tun hat. Er muss also eine Audiodatei abspielen. Diese Datei muss möglichst leise sein, damit man Störungen bemerken kann. Ich habe mir dafür mit Audacity ein paar Dateien (flac, mp3, ogg, wav) erstellt. Diese enthalten “Stille”. Wenn ich sie abspiele, müsste ich Störungen über meine Stereoanlage hören können. Merkwürdig ist, dass bei flac und ogg keine Störungen zu hören sind aber bei mp3 und wav schon.

Planung des Netzteils

Die erste Überlegung war: Welchen Spannungsregler soll ich nur verwenden? Anfangs wollte ich den TPS7A4700 nehmen. Dieser bietet 1A Ausgangsstrom und ein sehr niedriges Rauschen 4 µVRMS (10 Hz, 100 kHz). Leider gibt es den nur als SMD-Bauteil. Bei Ebay findet man aber auch schon fertig aufgebaute Schaltungen mit diesem Spannungsregler. Hierbei bleibt aber der Bastelspaß etwas auf der Strecke. Die nächste Idee war ein Netzteil mit 7805 oder LM317 zu bauen. Das macht aber jeder und diese Spannungsregler sind schon sehr lang auf dem Markt. Da habe ich den LT3081 gefunden. Dieser sollte es werden. Er ist sehr rauscharm (27μVRMS), benötigt nur wenige externe Bauteile und kann bis zu 1,5A liefern. Außerdem hat er normale Beinchen und lässt sich deshalb gut auf Lochraster aufbauen.

Rauscharmes Netzteil für den Raspberry PI mit Hifiberry: Schaltplan
Rauscharmes Netzteil: Schaltplan

Die Schaltung habe ich mit Hilfe des Datenblatts erstellt. Folgende Bauteile habe ich dafür verwendet:

Spannungsregler: LT3081
D1-D4Schottky Diode 2A
D5LED Grün
C1-C4Keramik-Kondensator 100nF
C5: 4*Elko 2200µF, 25V
C6, C9: Folien-Kondensator 100nF
C7Keramik-Kondensator 100pF
C8Elko 470µF, 16V
R1Widerstand 100kΩ
R2Widerstand 150Ω
L1: Drossel 100µH
F1: Sicherung 160mA
F2: Sicherung 2A
TR1Printtransformator 7,5V, 16VA

Dimensionierung des Trafos

Das große Problem ist oft, wie man den Trafo dimensionieren muss. Wenn die Ausgangsspannung zu hoch ist, wird zuviel Energie im Spannungsregler verbraten. Ist die Spannung zu niedrig, kann der Regler unter Umständen nicht mehr richtig arbeiten. Glücklicherweise gibt es LTspice. Damit lässt sich eine Schaltung gut simulieren.

Rauscharmes Netzteil für den Raspberry PI mit Hifiberry: Simulation Netzteil NIO
Simulation Netzteil NIO

Auf dem oberen Bild sieht man die Schaltung mit einem 6V Trafo. Sie wird mit 1,5A belastet. Das entspricht der Maximalbelastung. Die blaue Kurve zeigt die Spannung an C6. Man sieht schön, dass sie zwischen 6V und 7V schwankt. Die maximale Dropout-Spannung des Reglers liegt bei 1,5V. Aus diesem Grund schwankt auch die Ausgangsspannung (grüne Linie).

Rauscharmes Netzteil für den Raspberry PI mit Hifiberry: Simulation Netzteil IO
Simulation Netzteil IO

Der nächst größere Trafo liefert 7,5V. hier schwankt die Spannung an C6 zwischen 8V und 9V. Abzüglich der Dropout-Spannung des Reglers bleibt hier noch genügend Puffer. Die Ausgangsspannung ist damit schön gerade.

Aufbau des Netzteils

Rauscharmes Netzteil für den Raspberry PI mit Hifiberry: bestückte Platine
bestückte Platine

Die Schaltung ist schnell auf der Lochrasterplatine aufgebaut. Der Trafo braucht fast den halben Platz. Der Spannungsregler benötigt eine Mindestbelastung von 5mA. Dies wird durch die LED gewährleistet.

Rauscharmes Netzteil für den Raspberry PI mit Hifiberry: Spannungsregler LT3081
Rauscharmes Netzteil: Spannungsregler LT3081

Der Spannungsregler LT3081 hat 7 Beinchen. Die sind bei dem TO-220 Gehäuse sehr dicht zusammen. Da muss man aufpassen, dass es dort keine Kurzschlüsse gibt.

Rauscharmes Netzteil für den Raspberry PI mit Hifiberry: Funktionstest
erster Funktionstest

Hier habe ich den ersten Funktionstest durchgeführt. Der Kühlkörper ist nur provisorisch. Die Ausgangsspannung wird über R1 eingestellt. Für 5V muss er 100kΩ groß sein. Das Ergebnis (4,98V Ausgangsspannung) ist schon beeindruckend.

Als Lastwiderstand habe ich 8Ω verwendet, das ergibt 625mA.

Rauscharmes Netzteil für den Raspberry PI mit Hifiberry: Voltmeter Amperemeter
Voltmeter und Amperemeter

In China habe ich mir ein billiges Volt- / Amperemeter bestellt. Damit kann ich die Ausgangsspannung und die Stromaufnahme kontrollieren. Das Teil ist nicht notwendig aber chic.

Rauscharmes Netzteil für den Raspberry PI mit Hifiberry: Schaltplan Voltmeter und Amperemeter
Schaltplan Voltmeter und Amperemeter

Angeschlossen wird das Meter so wie im Schaltplan oben. Die Versorgungsspannung habe ich vor dem LT3081 abgegriffen. Das schwarze Kabel von der Versorgungsspannung wird nicht verwendet. Ich habe es einfach abgeschnitten. Es kann sein, dass es Abweichungen gibt (z.B. gelb und schwarz sind vertauscht). Das hängt vom verwendeten Volt- und Amperemeter ab. Am besten man macht erst einen Versuch mit einem Labornetzteil.

Rauscharmes Netzteil für den Raspberry PI mit Hifiberry: Rückwand gebohrt
Rückwand gebohrt

In die Rückwand kommt die Kaltgerätebuchse mit Schalter und die Aussparung für den USB-Stecker. Dazu wird der Ausschnitt vorgebohrt und anschließend auf das richtige Maß gefeilt.

Rauscharmes Netzteil für den Raspberry PI mit Hifiberry: Rückwand Kaltgerätebuchse
Rückwand mit angeschlossener Kaltgerätebuchse

Wenn alles verbaut ist, kann die Buchse verkabelt werden.

Rauscharmes Netzteil für den Raspberry PI mit Hifiberry: Rückwand Kaltgerätebuchse
Rückwand mit Kaltgerätebuchse

Die Schutzfolie auf der Aluplatte sollte man erst ganz zum Schluss abziehen um Kratzer zu vermeiden.

Rauscharmes Netzteil für den Raspberry PI mit Hifiberry: Innenansicht verdrahtet
Innenansicht verdrahtet

Der Trafo ist sehr schwer. Damit er sicher im Gehäuse befestigt ist, muss er verschraubt werden. Ich habe durch die Laschen des Trafos in die Platine Löcher gebohrt. Anschließend habe ich Abstandshülsen an die Unterseite der Platine geklebt. In das Alugehäuse wurden an den entsprechenden Stellen Gewinde hinein geschnitten. Somit kann man den Trafo samt Platine und Abstandshülsen mit dem Gehäuse verbinden.

Rauscharmes Netzteil für den Raspberry PI mit Hifiberry: Frontplatte Voltmeter Amperemeter
Frontplatte mit Voltmeter und Amperemeter

Der Spannungsregler wird isoliert mit dem Gehäuse verschraubt. In die Frontplatte wird das Volt- / Amperemeter eingebaut.

Fazit

Rauscharmes Netzteil für den Raspberry PI mit Hifiberry: fertig zusammengebaut
Rauscharmes Netzteil fertig zusammengebaut

Deckel drauf und fertig. Das Netzteil ist ziemlich groß geworden. Es funktioniert und Spannung sowie Strom werden angezeigt.

Ich habe den gleichen Test wie oben gemacht. Auch hier ist auffällig, dass bei flac und ogg keine Störungen zu hören sind aber bei mp3 und wav. Diese sind genauso laut wie mit dem Schaltnetzteil und nur zu hören wenn ich ganz laut drehe. Im normalen Betrieb sind sie nicht wahrnehmbar. Das Netzteil bringt für diesen Fall gar nichts.

Also war die ganze Arbeit umsonst? Sicherlich nicht. Spaß hat es gemacht. Das Netzteil ist beeindruckend anzusehen. Vielleicht ist mein Schaltnetzteil auch ein besonders Gutes.

Ich könnte jetzt noch viel schreiben über die Spielfreude, ein sich lösendes Klangbild, Musikalität, seidige Höhen und weggezogene Vorhäng. Ich lass das lieber und überlasse dass Leuten, die sich damit auskennen :-)

20 Gedanken zu „Rauscharmes Netzteil für den Raspberry PI mit Hifiberry“

  1. Hallo…
    Glückwunsch zu Ihrem schönen Blog….ich hab jetzt auch so ein netzteil für meinen rasp- /hifiberry gebaut….klappt auch soweit alles…der spielerei wegen hab ich mir auch so ein Volt-/Amperemeter aus China besorgt…..und hier ist mein Problem…ich komm einfach nicht drauf wie man das anschliesst, dass es Spannung UND Strom misst….wäre nett, wenn Sie mir weiterhelfen könnten….
    viele Grüsse

  2. Hallo…
    mittlerweile hab ichs kapiert mit der Amperemessung…bin allerdings skeptisch was die angezeigten A angeht…der festspannungsregler soll bei 5V bis zu 2A liefern….wenn ich raspi incl. hifiberry spielen lasse sollen das nur ca. 0,4A sein…erscheint mir merkwürdig wenig….wenn ich ein handy zum laden dran hänge ist der Wert auch so niedrig und es läd langsamer als mit anderen Ladegeräten….insgesamt muss ich auch sagen: vom Klang her kein Unterschied zu vorher…
    viele Grüsse

    1. Hallo Norbert,

      0,4A passt. Diesen Wert habe ich auch (siehe Foto).
      Um die volle Leistung zum Handy laden zu bekommen, musst Du einen Widerstand zwischen die Datenleitungen löten. Ansonsten ist der Strom auf 500mA begrenzt. In der c’t war da mal ein Artikel zu dem Thema drin.

    2. Es wird nur der Strom entnommen, der vom Gerät benötigt wird. Das sind dann halt nur 400mA. Dass ein Handy plötzlich weniger schnell lädt liegt an der fehlenden Ladestromaushandlung zwischen Handy und Ladegerät. Ist nicht schlimm, so wird der Akku halt weniger schnell und damit schonender geladen.

  3. Hallo Norman,
    (du ist OK?)
    vielen lieben Dank für deine ausführliche Dokumentation!

    Ich habe mir gestern bei Reichelt die benötigten Teile für das Netzteil und ein HIFIberry DAC+ pro bestellt.
    Wenn ich das richtig gelesen habe, hat das HIFIberry noch einen Spannungsregler auf 3.3V an board.
    Wäre es nicht spannend mal auszuprobieren, diesen Spannungsregler zu entfernen und auch die 3.3V mit einem zweiten LT3081 zu erzeugen?

    Eine Anmerkung noch zum “Schaltplan Voltmeter und Amperemeter”
    Du hast Rset “rechts” vom Shunt angeschlossen, oder? (Der Shunt hat vermutlich so 75mOhm?) bei 1.5A wären das über 100mV Spannungsdrift.

    Beste Grüße aus Dortmund
    Uwe

    1. Hallo Uwe,

      das Du ist völlig in Ordnung.
      Der HIFIberry DAC+ pro ist spannungsmäßig auftrennbar. Das heißt, Du kannst den Raspberry Pi und den Hifiberry jeweils getrennt mit 5V versorgen (mit zwei LT3081). Wenn Du es weiter treiben willst, kannst Du auch den 3,3V Spannungsregler rausschmeißen. Der soll aber ein ganz guter sein und die Aktion wird wahrscheinlich nicht viel bringen.
      Vielen Dank für den Hinweis mit dem Shunt. Wenn Du mit Rset den R1 aus meinem Schaltplan meinst, der ist am gelben Kabel also links angeschlossen. Ich habe mir auch Gedanken über den Spannungsabfall am Shunt gemacht. Damals habe ich ihn bei 1A gemessen und er war marginal. Den Widerstand des Shunts kenne ich leider nicht. Eine Doku zu dem China-Teil gibt es nicht. Der LT3081 hat einen Ausgang der den fließenden Strom ausgibt. Den könnte man auch verwenden und dann den Shunt rausschmeißen. Das wäre wahrscheinlich die eleganteste Lösung.

  4. Hallo Norman,
    danke für die Rückmeldung! Den Ausgang des LT3081 finde ich auch interessant, werde mir vermutlich zwei voltmeter besorgen (an Stelle der volt/ampere-meter compi).
    Nächste Woche müsste mein HIFIberry ankommen, ich schau dann mal, was da für ein Spannungsregler drauf ist. Eine Schematic zum HIFIberry habe ich leider bisher noch nicht finden können.
    Das Ganze wird aber vermutlich alles ein wenig dauern (Arbeit, Kinder, zu viele Hobbies :-) )

    1. Hallo Uwe,

      auf der Hifiberry-Seite steht folgendes:

      “Ultra-low-noise voltage regulator for optimal audio performance”

      Um den internen Spannungsregler würde ich mir deshalb keine Sorgen machen.
      Im Volumio-Forum gibt es auch viele Anregungen bezüglich des Netzteils.
      Wenn Du Ergebnisse hast, kannst Du Dich gerne wieder melden (bei Fragen und anderen Anregungen natürlich auch)

      Grüße
      Norman

  5. Servus, schöner Artikel!

    Das Netzteil ist aber für einen Pi2 gedacht, denn für einen Pi3 sollte 1A nicht reichen, der sollte in Verbindung mit dem DAC+ schon auf 2,5-3A laufen, das ganze bei 5,1-5,3V.
    Ich werde die ganze Sache für mich mal anpassen und für einen Pi3 fertigen

    1. Hallo Michael,

      vielen Dank für Deinen Kommentar. Das von mir gebaute Netzteil liefert einen maximalen Strom von 1,5A. Der Raspberry Pi3 hat eine maximale Leistungsaufnahme von 4W (wie der Pi2) und sollte mit 5V betrieben werden (siehe Spezifikation bei Wikipedia). Das entspricht 800mA. Durch den Hifiberry kommen noch mal ein paar Milliampere dazu. Mit diesen Daten ist das von mir gebaute Netzteil mehr als ausreichend für den Raspberry Pi3.

  6. Hallo, vielen Dank für die Beschreibung des Netzteils, das ich heute nachgebaut habe. Die Bauteile habe ich anhand der Stückliste bei der im Artikel angegebenen Quelle gekauft. Als Ausgangsspannung habe ich nach Fertigstellung jedoch nur 4,77 V gemessen. Habe keine Ahnung, wo die „restlichen“ 0,22 V auf der Strecke bleiben.

    Gibt es ein Foto der Platinenunterseite?

    Viele Grüße,
    Michael

    1. Hallo Michael,

      vielen Dank für Deinen Kommentar. Leider habe ich damals kein Bild von der Unterseite gemacht. Ein paar Dinge fallen mir aber dazu ein:
      R1 legt die Ausgangsspannung fest. Diesen Wert solltest Du überprüfen.
      Die Eingangsspannung (über C5) muss entsprechend groß sein. Was musst Du denn da?
      Bei meinem ersten Lochrasteraufbau habe ich einige kalte Lötstellen fabriziert. Erst als ich alles nachgelötet hatte, funktionierte die Schaltung.

    1. Hallo Michael,

      Die Spannung über C5 ist ausreichend hoch. Hier liegt also kein Fehler vor. Wenn die Ausgangsspannung jetzt nicht stimmt, kann eigentlich nur R1 schuld sein. Über ihn wird die Ausgangsspannung eingestellt. Je nach verwendeter Toleranz, kann die Ausgangsspannung abweichen. Einfache Kohleschicht-Widerstände haben ±5%. Das ergibt einen Widerstandsbereich von 95-105kΩ. Die Ausgangsspannung liegt dann also im Bereich von 4,75-5,25V (R1*50µA). Aus diesem Grund habe 1% Toleranz gewählt, hier liegt die Ausgangsspannung zwischen 4,95V und 5,05V

  7. Auf eine mögliche Fehlerquelle wird im LT3081 Datenblatt hingewiesen “With the 50μA current source used to generate the reference voltage, leakage paths to or from the SET pin can create
    errors in the reference and output voltages. High quality insulation should be used […]; cleaning of all insulating surfaces to remove fluxes and other residues is required. […]” Es wäre doch praktisch, statt des festen 100K Widerstands einen Trimmer zu verwenden? Natürlich nur, falls der Schaltungsaufbau in Ordnung ist, und nicht um Fehler in der Verdrahtung zu kompensieren.

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