Lineares Netzteil für DAC und Streamer: Wo es zählt und wo nicht

In meiner Kette stecken drei Netzteile für drei Geräte. Nur eines davon, der Raspberry Pi, kam überhaupt mit einem eigenen Netzteil, und das war ein Schaltnetzteil. Der Wandler und das Transport-Board sind reine Bastelplatinen: Die Stromversorgung baut man selbst, und zwar so sauber, wie es eben geht. Lösungen dafür gibt es viele, und jeder nimmt, was er für das Beste hält oder was für ihn machbar ist. Genau das ist der Reiz am Selbstbau. Lineare Netzteile gehören in der HiFi-Bastelszene zum Standardrepertoire, fast jeder Forenthread zu Streamern oder DACs endet irgendwann bei der Frage, ob man nicht „mal ein LPS probieren“ sollte.

Nur: Warum eigentlich? Die üblichen Antworten lauten „weniger Rauschen“, „schwärzerer Hintergrund“ oder „mehr Ruhe im Klangbild“. Das sind Beschreibungen, keine Begründungen. Ich wollte wissen, an welcher Stelle in einer Kette ein Netzteil überhaupt etwas ausrichten kann, und an welcher es physikalisch kaum eine Chance hat. Das Ergebnis hat meine eigene Verkabelung im Nachhinein ziemlich gut erklärt, aber nicht ganz so, wie ich erwartet hatte.

Linear und geschaltet: der Unterschied in zwei Absätzen

Ein lineares Netzteil arbeitet so, wie man es aus dem Physikunterricht kennt. Ein Transformator setzt die 230 V aus der Steckdose bei 50 Hz herunter, ein Gleichrichter macht daraus pulsierende Gleichspannung, große Kondensatoren glätten sie, und ein Regler hält am Ende die Ausgangsspannung konstant. Weil der Gleichrichter beide Halbwellen nutzt, bleibt eine kleine Restwelligkeit mit 100 Hz übrig. Der Regler muss sie wegdrücken, und er verheizt dabei die überschüssige Spannung als Wärme. Deshalb sind lineare Netzteile schwer, groß und tragen oft Kühlkörper.

Ein Schaltnetzteil richtet die Netzspannung direkt gleich und zerhackt sie dann sehr schnell, mit Hunderttausenden Schaltvorgängen pro Sekunde und mehr. Bei diesen Frequenzen reicht ein winziger Transformator, der Wirkungsgrad ist hoch, das Gerät bleibt klein und kühl. Der Preis: Die Restwelligkeit liegt jetzt bei der Schaltfrequenz und ihren Vielfachen, und die steilen Schaltflanken streuen Störungen, die man aktiv einfangen muss.

Damit hat jede Bauform ihren eigenen Störanteil. Beim linearen Netzteil sitzt er bei 100 Hz, also mitten im Hörbereich. Beim Schaltnetzteil liegt er weit darüber, dafür ist er breitbandiger und schwerer zu bändigen.

Der Mythos vom grundsätzlich leiseren Trafo

Dass ein lineares Netzteil per se leiser sei, bestreitet ausgerechnet ein Hersteller, der für seine Messwerte bekannt ist. John Siau von Benchmark Media schreibt in einer technischen Notiz zum DAC2 wörtlich, es sei „a myth that linear supplies are quieter than switching supplies“. Seine Zahlen: Der Vorgänger DAC1 mit linearem Netzteil kam auf einen Netzbrumm von −128 dB relativ zur Vollaussteuerung. Der DAC2 mit Schaltnetzteil liegt unter −160 dB. Benchmark betreibt die Schaltstufen nach eigener Angabe bei 200 kHz bis 1 MHz, weit oberhalb des Hörbereichs, wo sich die Reste ausfiltern lassen, ohne das Audiosignal anzufassen.

Man sollte das als das lesen, was es ist: die Aussage eines Herstellers über die eigene Konstruktion. Siau schränkt sie auch selbst ein. Schaltnetzteile müssten „specially designed to be quiet within the audio band“ sein, und in seinem Vergleichsvideo störten ausgerechnet billige Schaltnetzteile. Die eigentliche Botschaft ist also nicht „geschaltet ist besser“, sondern: Die Bauform entscheidet nicht, die Ausführung tut es. Ein schlampiges Steckernetzteil aus dem Grabbeltisch und ein sorgfältig entwickeltes Schaltnetzteil haben außer dem Prinzip wenig gemeinsam.

Was der DAC aus dem Netzteil macht

Hier liegt der Punkt, der in fast jeder Netzteildiskussion fehlt. Ein Digital-Analog-Wandler hängt fast nie direkt am externen Netzteil. Er bringt seine eigene Spannungsaufbereitung mit, und die sitzt näher an den empfindlichen Bauteilen als alles, was du davorstellst. Mein eigener Wandler, ein Soekris dam1021, ist ein gutes Beispiel: Soekris schreibt auf der Produktseite knapp „The power supply is also onboard“ und verlangt als Eingang lediglich ±8 bis 15 V Gleichspannung. Das externe Netzteil speist also eine Regelung auf der Platine, nicht den Wandler selbst.

Was so ein Regler mit der Restwelligkeit anstellt, gibt das Datenblatt als Ripple Rejection oder PSRR an, in Dezibel. Welche Regler genau auf dem dam1021 sitzen, nennt Soekris nicht. Ich habe deshalb mit einem bewusst einfachen Standardbaustein gerechnet, dem LM317L. Texas Instruments gibt für ihn 71,5 dB bei 120 Hz und 65 dB bei 100 kHz an. Für die 100 Hz eines linearen Netzteils am deutschen Netz verwende ich den 120-Hz-Wert, das nächstliegende veröffentlichte Datum.

Als Bezug dient der Ausgang des dam1021, 1,4 V effektiv am unsymmetrischen Ausgang. Die Rechnung nimmt an, dass der komplette Rest nach dem Regler eins zu eins im Ausgangssignal landet. Das ist der ungünstigste denkbare Fall, in einer echten Schaltung wird es weniger.

Restwelligkeit als Effektivwert, bewusst als Spanne gewählt, nicht an einem bestimmten Gerät gemessen. Unterdrückung nach TI-Angabe für den LM317L. Annahme: Der Rest landet ungedämpft im Ausgangssignal (ungünstigster Fall).

Zwei Dinge fallen auf. Erstens: Selbst im schlechtesten Fall der Tabelle, 100 mV Restwelligkeit aus einem mäßigen Schaltnetzteil, bleibt nach einem simplen Regler ein Rest von knapp 88 dB unter dem Signal. Zum Vergleich: Für die Ausführung dam1021-12 gibt Soekris einen Klirrfaktor von 0,007 % an, das sind rund −83 dB. Der Wandler verzerrt also selbst stärker, als der Netzteilrest im ungünstigsten Szenario stört. Wie diese Klirrwerte zustande kommen, habe ich im Artikel zum R2R-DAC durchgerechnet.

Zweitens, und das finde ich interessanter: Der Rest eines Schaltnetzteils liegt in dieser Rechnung bei 100 kHz, also rund zwei Oktaven über allem, was ein Mensch hört. Der Rest des linearen Netzteils liegt bei 100 Hz, mitten im Bassbereich. Er ist in der Tabelle zwar kleiner, aber er liegt dort, wo das Ohr zuhört. Die übliche Erzählung vom „sauberen Trafo“ unterschlägt genau diesen Punkt.

Der Streamer schaltet sowieso

Bei Streamern ist die Lage noch eindeutiger, zumindest beim beliebtesten Bastelstreamer. Raspberry Pi beschreibt die Stromversorgung des Pi 5 in der offiziellen Vorstellung so: Ein Power-Management-Chip von Renesas „integrates eight separate switch-mode power supplies to generate the various voltages required by the board“. Acht Schaltregler, direkt auf der Platine. Was immer du an 5 V einspeist, wird dort als Erstes wieder zerhackt.

Das heißt nicht, dass das Netzteil eines Pi egal ist. Eine zu schwache oder instabile Versorgung führt zu Abstürzen und gedrosselter Leistung, und das ist weit störender als jedes Rauschen. Aber die Vorstellung, ein lineares Netzteil mache den Pi zu einer „sauberen“ Quelle, hält der Platine nicht stand. Der Pi ist ein Computer, und er bleibt einer.

Wo saubere Versorgung tatsächlich zählt, ist die Stelle nach dem Computer: dort, wo die Daten mit einem Taktsignal neu ausgerichtet und an den Wandler übergeben werden. Gute Aufsteckplatinen für den Pi trennen diesen Teil deshalb vom Rest und bieten einen eigenen Stromeingang dafür. Wie solche Platinen im Pi-Ökosystem aufgebaut sind und warum dort 5 V und deutlich höhere Spannungen nebeneinanderstehen, habe ich im Artikel zum Raspberry-Pi-Streamer beschrieben.

Der eigentliche Störweg: Leckströme über die Masse

Bisher ging es um Brummreste auf der Versorgungsspannung. Es gibt aber einen zweiten Weg, auf dem ein Netzteil Störungen in die Anlage trägt, und der hat mit der Qualität der Regelung gar nichts zu tun.

Klassischerweise sitzt in einem Schaltnetzteil ein sogenannter Y-Kondensator zwischen Netzseite und Ausgangsseite. Er leitet hochfrequente Gleichtaktstörungen ab, damit das Netzteil weniger davon nach außen trägt. Der Nebeneffekt ist ein kleiner Strom von der Netzseite auf die Masse des angeschlossenen Geräts. Eine Arbeit in den IEEE Transactions on Power Electronics (Bai et al., 2017) nennt den Y-Kondensator die „traditional method“ und diesen Zweig im selben Atemzug wenig diplomatisch „a terrible leakage current loop“.

In einer HiFi-Kette wandert dieser Strom über die Masseverbindungen der Kabel von Gerät zu Gerät, vom Streamer zum Wandler, vom Wandler zum Verstärker. Jedes Kabel hat einen kleinen Widerstand, und jeder Strom darüber erzeugt eine kleine Spannung genau dort, wo das Audiosignal seinen Bezugspunkt hat. Ob das hörbar wird, hängt vom Aufbau ab, und keine Restwelligkeitsangabe auf einem Datenblatt verrät es. Wer beim Anstecken eines Streamers ein leises Brummen oder Zirpen im Verstärker hat, sucht deshalb meist an der falschen Stelle, wenn er nach einem „besseren“ Netzteil mit niedrigerem Rauschwert sucht. Gesucht ist ein Netzteil ohne diesen Strompfad, oder eine Trennung im Signalweg.

Genau hier spielen Superkondensator-Netzteile ihre eigentliche Stärke aus. Das Prinzip: Eine Bank aus Kondensatoren mit sehr großer Kapazität wird aufgeladen und versorgt dann den Verbraucher, während sie vom Ladeteil getrennt ist. Für das Modell, das ich verwende, beschreibt der Händler Audiophonics den Aufbau so: mindestens 3.000 Farad, keine aktiven Bauteile im Ausgangsweg, und die Ausgänge sind vom Lader, vom Eingang und von den übrigen Schaltungsteilen isoliert. Solange die Bank liefert, gibt es keine leitende Verbindung zum Netz, also auch keinen Leckstrom von dort.

Wie meine Kette versorgt ist

Mit diesem Hintergrund lässt sich mein eigener Aufbau ziemlich gut einordnen. Er besteht aus drei getrennten Versorgungen:

• Der Raspberry Pi hängt per USB an einem linearen 5-V-Netzteil von BRZHiFi.
• Das Transport-Board auf dem Pi, ein TransportPi Digi von IAN Canada, das die Daten mit eigenen Oszillatoren neu taktet und an den Wandler weitergibt, bekommt seine Energie aus einem Superkondensator-Netzteil von IAN Canada, dem UcPure MK II. Den gibt es mit 12, 5 oder 3,3 V Ausgangsspannung. Meins ist auf 3,3 V eingestellt und speist direkt den „pure“-Eingang des Boards. Damit umgeht die Versorgung den 5-V-Regler auf der Platine und erreicht die Taktaufbereitung auf dem kürzesten Weg.
• Der Soekris dam1021 hängt an einem Netztrafo mit einer linearen Reglerplatine dahinter.

Dass das teuerste und sauberste Netzteil ausgerechnet am Transport-Board hängt, hat einen Grund: Es versorgt die Taktgeber. In einer digitalen Kette entscheidet der Takt, wann jeder einzelne Abtastwert weitergegeben und am Ende in Spannung umgesetzt wird. Weicht dieser Zeitpunkt von seiner idealen Position ab, spricht man von Jitter. Der Quarzhersteller Epson schreibt in einer Applikationsschrift zum Thema ohne Umschweife: „A major contributor that adds to oscillator jitter is power supply noise.“ Störungen auf der Versorgung eines Oszillators erhöhen den Jitter an seinem Ausgang also unmittelbar.

Superkondensatoren passen dazu aus einem zweiten Grund. Sie haben einen extrem kleinen Innenwiderstand und können in einem Augenblick sehr viel Strom liefern. Für die UcPure nennt Audiophonics einen Innenwiderstand unter 0,58 Milliohm und kurzzeitige Ströme bis 1.000 A. Die Taktaufbereitung braucht solche Ströme nie, aber die Reserve bedeutet: Wenn sie in einem Moment mehr Strom zieht, gibt die Spannung praktisch nicht nach. Die Uhr bekommt die stabilste Versorgung, die ich ihr bieten kann.

Rückblickend sitzt der aufwendigste Teil, die Superkondensatoren, genau an der Stelle, die nach der Recherche am meisten Sinn ergibt: hinter dem Computer, an der Taktaufbereitung, galvanisch getrennt vom Netz. Das lineare Netzteil am Pi dagegen speist nach allem, was oben steht, als Erstes die Schaltregler auf der Pi-Platine. Schaden tut es nicht, aber es ist der Teil der Kette, an dem ein Netzteil am wenigsten ausrichten kann.

Das ganze System klingt richtig gut: ruhig, ohne Hintergrundgeräusche, mit kräftigerem und kontrollierterem Bass, einer offenen, gut gestaffelten Bühne und vollen Mitten und Höhen. Das ist allerdings ein Gesamtergebnis, und ich kann es nicht sauber auf einzelne Netzteile verteilen. Für einen echten A/B-Vergleich müsste ich bei drei verschiedenen Geräten, die jeweils eine andere Aufgabe im Signalweg haben, die Art der Versorgung wechseln. Das ist im Alltag kaum zu machen.

An einer Stelle habe ich es trotzdem ausprobiert, am Transport-Board. Daran hingen nacheinander ein LiFePO4-Akkupack, das lineare Netzteil von BRZHiFi und schließlich die Superkondensatoren. Mit den Kondensatoren klang es am besten, am deutlichsten im Bass. Das war kein verblindeter Vergleich, sondern Umbauen und danach Hören, mit den Unsicherheiten, die dazugehören. Bemerkenswert finde ich trotzdem, wo dieser Unterschied auftrat: genau an der Stelle, an der ein Netzteil nach der Rechnung oben am meisten ausrichten kann.

Mein Grundsatz beim Aufbau war deshalb schlicht: je sauberer und ruhiger die Versorgung, desto besser.

Wann sich ein lineares Netzteil lohnt

Aus der Rechnung und den Quellen ergibt sich eine Reihenfolge, die ich so auch jemandem empfehlen würde, der gerade vor der Entscheidung steht.

Zuerst das Symptom klären. Brummt oder zirpt es hörbar, wenn ein bestimmtes Gerät angeschlossen ist? Dann ist der wahrscheinlichste Grund ein Strom über die Masse, kein zu hoher Rauschwert. Hier hilft ein Netzteil ohne Verbindung zur Netzseite oder eine Trennung im Signalweg, und das kann durchaus ein lineares Netzteil sein. Hörst du nichts, gibt es auch nichts zu reparieren.

Dann prüfen, was danach kommt. Hat das Gerät eine eigene Spannungsaufbereitung, wie fast jeder DAC, drückt die bereits einen großen Teil dessen weg, was ein besseres externes Netzteil verbessern könnte. Die Tabelle oben zeigt die Größenordnung.

Bei Computern im Signalweg den Aufwand hinter den Computer legen. Ein Streamer auf Pi-Basis schaltet intern ohnehin. Eine saubere, getrennte Versorgung für die Taktaufbereitung und den Wandler bringt nach der Logik dieses Artikels mehr als ein Luxusnetzteil für den Rechner selbst.

Eine Warnung gehört noch dazu. Ein lineares Netzteil mit Netztrafo führt 230 V im Gehäuse. Fertig gekaufte Geräte mit Prüfzeichen sind unproblematisch, Bausätze und offene Platinen mit Netzanschluss gehören nur in Hände, die wissen, was sie tun.

Häufige Fragen

Ist ein lineares Netzteil immer besser als ein Schaltnetzteil?

Nein. Beide haben einen Störanteil, nur an verschiedenen Stellen: das lineare bei 100 Hz im Hörbereich, das geschaltete weit darüber. Benchmark hat seinen Netzbrumm mit einem gut entwickelten Schaltnetzteil um mehr als 30 dB gesenkt. Ein billiges Schaltnetzteil kann trotzdem stören. Entscheidend ist die Ausführung, nicht das Prinzip.

Braucht ein Raspberry Pi als Streamer ein lineares Netzteil?

Er braucht vor allem ein ausreichend starkes, stabiles Netzteil. Für den Pi 5 bietet Raspberry Pi selbst ein USB-C-Netzteil mit 5 V und 5 A an, und erst wenn die Firmware dieses erkennt, erlaubt sie an den USB-Buchsen bis zu 1,6 A. Das ist wichtig, wenn ein USB-DAC am Pi hängt. Ob linear oder geschaltet, ist zweitrangig, weil der Pi seine Spannungen ohnehin mit eigenen Schaltreglern erzeugt.

Was bringt ein Superkondensator-Netzteil gegenüber einem linearen?

Den größten Unterschied macht die Trennung: Während die Kondensatorbank liefert, besteht keine leitende Verbindung zum Netz, also auch kein Leckstrom von dort. Ein lineares Netzteil ist über seinen Trafo zwar ebenfalls vom Netz getrennt, hängt aber während des Betriebs weiter daran. Ob dieser Unterschied in einer bestimmten Anlage hörbar ist, hängt vom Aufbau ab und lässt sich nicht pauschal beantworten.

Am Ende hat mich an diesem Thema am meisten überrascht, wie wenig die Frage „linear oder geschaltet?“ eigentlich klärt. Die bessere Frage lautet: Was kommt nach dem Netzteil, und auf welchem Weg kann eine Störung überhaupt bis zum Signal gelangen? Wer das für seine eigene Kette einmal durchgeht, weiß meist ziemlich genau, wo ein Netzteil-Upgrade etwas ausrichten kann. Und wo das Geld in einer besseren Quelle oder einem anderen Wandler besser aufgehoben wäre.