Blog

Dec 28, 2023

±40

Für diejenigen, die jegliche Form oder Form eines Schaltnetzteils (SMPS) für den High-End-Leistungsverstärker Fortissimo-100 missbilligen, liefert dieses Projekt einen linearen, symmetrischen Spannungsregler mit mehr als 500 VA

Für diejenigen, die jegliche Form oder Form eines Schaltnetzteils (SMPS) für den High-End-Leistungsverstärker Fortissimo-100 missbilligen: Dieses Projekt liefert einen linearen, symmetrischen Spannungsregler mit mehr als 500 VA, der sich durch niedrige Dropout-Spannung und hohe Ausgangsleistung auszeichnet Strom und hervorragende Stabilität – alles aus diskreten Komponenten und aus einem Bausatz! Da nahezu alle Hochleistungs-Audio-Leistungsverstärker über eine stabilisierte Versorgungsspannung verfügen, ist dieses lineare Netzteil speziell für eine symmetrische Ausgangsspannung von ±40 V und Spitzenströme von 13 A (maximal 15 A erreichbar) ausgelegt. Beispielsweise beträgt die durchschnittliche Stromaufnahme eines Fortissmo-100-Verstärkers, der eine 3-Ω-Last antreibt, etwa 4 A pro Regler.

Der High-End-Audio-Leistungsverstärker Fortissimo-100 von Elektor funktioniert nachweislich am besten mit einer geregelten ±40-V-Stromversorgung, sodass eine „nüchterne“ Versorgung bestehend aus einem Transformator, einem (Brücken-)Gleichrichter und einem Satz dicker Netzteile nicht erforderlich ist Reservoirkondensatoren. Ein Schaltnetzteil ist vielleicht auch nicht ganz das Richtige, aber das ist eher eine Frage des persönlichen Geschmacks, denn das SMPS800RE leistet gute Arbeit. Dennoch kann es zwingende Gründe geben, einen Linearregler zu bevorzugen, der wie der Verstärker selbst nur aus durchkontaktierten Komponenten besteht. Damit der Spannungsregler ohne Ausfälle (Ausgangsspannungseinbrüche) arbeitet, muss die Eingangsspannung der Schaltung die Ausgangsspannung überschreiten um mindestens 3 V höher, bei Netzspannungsschwankungen auch mehr. Im Vergleich zu den meisten SMPS (mit einem breiten AC-Spannungseingangsbereich) ist ein Linearregler weniger effizient und ein großer Leistungstransformator ist mit einer höheren Nennleistung als ohne Linearregler erforderlich. Heutzutage sind die meisten handelsüblichen Netzteile („ „Netz“-Transformatoren sind durch genormte Sekundärspannungen gekennzeichnet. Um direkt ±40 VDC zu erzeugen, ist ein Transformator mit einer Nennspannung von 2×30 V die wahrscheinlichste Wahl. Die resultierende Leerlauf-Gleichspannung beträgt normalerweise etwa 42 VDC, was weitgehend von der internen Regelung des Transformators und dem Spannungsabfall an den Gleichrichterdioden abhängt. In der Praxis ist die Ausgangsspannung eines Leistungstransformators im Leerlauf immer um einige Prozent höher als unter Last. Die nächsthöhere Standard-Sekundärspannung beträgt 35 V, was bei geringer Ausgangsleistung etwa 49 bis 50 VDC oder mehr ergibt – in einem Labortestaufbau wurden nahezu 52 V gemessen. Bei einer Last von 8 Ω am Leistungsverstärker benötigt der Regler nur eine kleine Glättungskapazität. Der Vorteil der größeren Welligkeitsspannung ist eine etwas geringere Verlustleistung im/in den Versorgungsreglern. Bei niedrigeren Impedanzen sollte die Welligkeit jedoch die Abfallspannung (43 V bei 10 A) nicht überschreiten. In einem Labortest schien ein 2× 35 V, 300 VA Ringkerntransformator mit einer Glättungskapazität von 20.000 µF robust genug zu sein, um den Regler zu versorgen. Die maximale Sinuswellenleistung (nahezu Clipping) bei 20 Hz und 0,1 % THD+N in einer 3-Ω-Last verursachte einen Ausfall von lediglich 1,8 Vpeak am Versorgungsausgang. Allerdings beträgt die Dauerausgangsleistung dann 227 Watt an der 3-Ohm-Last und der 300-VA-Transformator ist leicht überlastet. Dies reichte jedoch nicht aus, um den Schutz des Fortissimo-100 auszulösen.

Die Grundlage jedes Spannungsreglers besteht darin, die Ausgangsspannung zu messen, sie mit einem Referenzpegel zu vergleichen und die Ausgangsstufe entsprechend zu steuern, um etwaigen Änderungen entgegenzuwirken. Obwohl die vorliegende Reglerschaltung diesem Konzept folgt, ist ein deutlicher Unterschied die viel höhere sekundäre Referenzspannung, die mit etwas über 33 V relativ nahe an der Zielausgangsspannung von 40 V liegt. Je höher die Referenzspannung – hier 33,6 V – desto mehr Verstärkung bleibt einer (einfachen) Schaltung, um sowohl die Welligkeitsunterdrückung der Eingangsspannung als auch die Ausgangsspannungsregelung zu erhöhen. Vereinfacht ausgedrückt besteht die Schaltung aus einer Referenzspannung, einem Differenzverstärker und einen Ausgabepuffer. Darüber hinaus sind beide Regler mit einem SOA-Schutz (Safe Operating Area) ausgestattet. Schauen wir uns anFigur1um die Funktionsweise des positiven Reglers zu untersuchen.

Referenz Spannung Die Referenzspannung wird nicht von einer Zener-Diode erzeugt, da Standard-Zener typischerweise beträchtliche Temperaturkoeffizienten haben. Spezielle temperaturkompensierte Versionen sind heutzutage kaum noch zu bekommen, insbesondere 33-V-Versionen. Anstelle einer Zenerdiode wird eine Shunt-Spannungsreferenz vom Typ TL431 mit einstellbarer Präzision und einer maximalen Arbeitsspannung von 36 V verwendet. Ihre interne Referenzspannung (dh die primäre Referenzspannung des 40-V-Reglers) beträgt typischerweise 2,495 V. Die Kathode Der Strom durch den TL431 wird durch den Widerstand R1 eingestellt. Liegt die Eingangsspannung zwischen 43 und 50 V, wird der Strom zwischen 1,9 und 3,4 mA eingestellt, was sich als ausreichend erwies, um eine stabile Referenzspannung von 33,9 V zu erzeugen. Die 33,9 V werden durch die Widerstände R2 und R3 wie folgt eingestellt:

VKA = 2,495 x (1 + R2/R3) + IREF x R2

Der Einstellstrom IREF des TL431 beträgt typischerweise 1,8 µA, sodass die Referenzspannung theoretisch 33,95 V beträgt. Diese wird jedoch bei einem Kathodenstrom von 10 mA angegeben, während im Prototyp dieser Strom niedriger ist, ebenso wie die Spannung: 33,55 V wurde in der Praxis gemessen. Der TL431 ist durch C1 entkoppelt, während C2 die Gesamtstabilität verbessert.Differenzverstärker Der Differenzverstärker ist minimalistisch und besteht aus T1 und T2 mit R4 als Stromquelle. Die Spannung an der Basis von T1 ist ziemlich konstant. Das Gleiche gilt für die Spannung an R3, auch wenn die Spannung – je nach Temperatur – am Basis-Emitter-Übergang von T1 und an D1 leicht schwankt. Die Schottky-Dioden D1 und D2 begrenzen eine (gerade vorstellbare) Sperrspannung der Basis-Emitter-Spannungen von T1 und T2. Um den Einfluss des Spannungsabfalls an jeder Diode zu reduzieren, ohne die Eingangsoffsetspannung des Differenzpaars aufgrund von Änderungen zu stark zu beeinflussen In Bezug auf die Temperatur ist das Paar nebeneinander auf der Leiterplatte positioniert, sodass beide Diodenübergänge die gleiche Temperatur haben. Ein paar Millivolt – oder sogar Dutzende Millivolt – Offset, der auch durch Unterschiede zwischen T1 und T2 verursacht wird, haben keinen wirklichen Einfluss auf die viel höhere Ausgangsspannung von 40 V. Selbst eine Offset-Änderung von 30 mV bedeutet eine Abweichung von weniger als 1 % in der Ausgangsspannung, was keine Auswirkungen auf den Betrieb des Leistungsverstärkers hat. Die Spannung am Kollektorwiderstand R6 wird zum Ansteuern der Ausgangsstufe verwendet. R5 und C3 sowie C4 und C5 bilden die Frequenzkompensation, um den Regler auch bei aktivem SOA-Schutz (Safe Operating Area) T3/R7/R8/R9 stabil zu halten. Der Potenzialteiler R16-P1-R17 misst die Ausgangsspannung und stellt die Gegenkopplung für den Differenzverstärker dar. Um alle Toleranzen auszugleichen, liegt der Ausgangsspannungsbereich von P1 bei etwa 38,6 V bis 41,1 V. Wenn sich der Trimmpotentiometer-Wischer in der Mitte des Hubs befindet, liegt die Ausgangsspannung ziemlich nahe bei 40 V.AusgangsstufeObwohl es Transistoren gibt, die den maximalen Ausgangsstrom verarbeiten können, der erforderlich ist, wenn eine konstante Eingangsspannung von 50 V an den Regler angelegt wird, werden zwei Transistoren, T5/T6, ausgewählt, um:

Durch die Umsetzung dieser Kriterien wird das Risiko einer Beschädigung der Ausgangsstufe im Falle einer Überlastung oder sogar eines Kurzschlusses verringert. Die größeren PNP-Leistungstransistoren sind vom Typ TIP36C (vgl. den NPN TIP35C im Negativregler) und von mehreren Herstellern problemlos erhältlich. Um den minimalen Spannungsabfall der Ausgangsstufe so gering wie möglich zu halten, werden im Positivregler PNP-Transistoren eingesetzt, wobei die Basisströme in Richtung Masse fließen. Die Abfallspannung ist die Summe aus der Sättigungsspannung der Transistoren und dem Spannungsabfall an den Emitterwiderständen . Ein niedrigerer Wert für die Emitterwiderstände würde die Dropout-Spannung etwas verringern, aber die Ströme durch die beiden Transistoren können zu stark abgelenkt werden. Bei hohen Kollektorströmen ist die Verstärkung der Transistoren sehr gering und ein zusätzlicher Transistor (T4) ist erforderlich, um den Ausgang der Differenzstufe zu puffern. Um zu verhindern, dass die Sättigungsspannung von T4 die Dropout-Spannung der Ausgangsstufe erhöht, ist sein Kollektor über eine Reihenschaltung von Widerständen mit Masse verbunden. Dies begrenzt die Verlustleistung des T4 sowie seinen Kühlkörperbedarf. Dabei gibt es jedoch einen Haken: Sollte die Eingangsspannung – aus welchen Gründen auch immer – unter die Dropout-Spannung fallen, bleibt T4 dauerhaft leitend und die Verlustleistung in seinem Kollektorwiderstand ist mit 16 Watt bei 100 Ω Gesamtwiderstand und 40 V recht hoch Eingangsspannung angelegt. Dies sollte jedoch niemals passieren, daher werden drei 5-W-Widerstände verwendet, um ein Durchbrennen dieses Kollektorwiderstands zu verhindern. Ein zusätzlicher Vorteil dieses Kollektorwiderstands besteht darin, dass er die Basisströme von T5 und T6 begrenzt und somit als einfache Strombegrenzung fungiert. Den eigentlichen Schutz bildet jedoch T3. Der Ausgangsstrom wird vom Spannungsteiler R7/R8 als Spannungsabfall am Emitterwiderstand von T5 gemessen und treibt die Basis von T3 an. Wenn beispielsweise der Strom durch R14 etwa 7 A beträgt, beträgt der Gesamtausgangsstrom 14 A. Der höchste erwartete Ausgangsstrom liegt bei etwas über 12 Apeak bei einer 3 Ω-Last am Verstärkerausgang. T3 beginnt zu leiten, und zwar aufgrund von R9 sogar noch früher, abhängig von der Spannung an T5. Der genaue Pegel, bei dem T3 in Durchlassrichtung vorgespannt ist, ist temperaturabhängig und wird niedriger, wenn die Temperatur steigt – ein zusätzlicher Schutz, und bei Musik stellt dies kein Problem dar. D3 schützt die Ausgangsstufe, falls die Eingangsspannung sinkt plötzlich unterbrochen oder kurzgeschlossen. T5 und T6 sind durch ein Paar 1000 µF-Kondensatoren mit niedrigem ESR entkoppelt. LED1 zeigt das Vorhandensein der Ausgangsspannung von +40 V an. Obwohl auf den Fotos zu sehen ist, dass D6 umgekehrt auf der Platine angebracht ist, können sowohl D6 als auch D3 tatsächlich in beide Richtungen eingebaut werden und funktionieren trotzdem ordnungsgemäß. Die HTR20L120CT-Diode in ihrem 3-poligen TO220-Gehäuse verfügt über zwei interne Dioden mit einer gemeinsamen Kathode, die mit der Mittelleitung des Geräts verbunden ist. Der Reglereingang ist durch eine 15-A-Sicherung geschützt. Der maximale RMS-Strom (Root-Mean-Square) muss berücksichtigt werden, und bei maximalem Halbwellen-Sinusstrom beträgt der RMS-Wert Ipeak/2, also 6,5 A. Allerdings bei sehr niedrigen Frequenzen wie 16,4 Hz (wenn Sie so wollen). B. Orgelmusik), kann der Spitzenstrom mehrere Millisekunden anhalten. Damit die Sicherung unter solchen Bedingungen nicht durchbrennt, kommt hier eine 15-A-Sicherung zum Einsatz, die zusätzlich noch den Spannungsabfall reduziert. Wenn der Verstärker und/oder der Regler viel mehr Strom aufnehmen, brennt die mit dem Leistungstransformator verbundene Primärsicherung durch. Die 15-A-Sicherung löst zuverlässig aus, wenn „dahinter“ ein plötzlicher Kurzschluss auftritt.

Der Elektor Store bietet ein umfassendes Kit für das Projekt „Linearer Spannungsregler“ an, das die Leiterplatte (PCB) und alle in der Stückliste (BoM oder Komponentenliste) aufgeführten Teile enthält. Dieser hervorragende Bausatz macht hoffentlich die Bemühungen der Leser zunichte, Teile (elektronisch und mechanisch) zu kaufen und Leiterplatten auf Bestellung anfertigen zu lassen. Zusammen mit dem Bausatz liegt ein 12-seitiges Bauhandbuch mit schrittweisen Anweisungen zum Zusammenbau des Projekts und hoffentlich zum Erreichen eines perfekten Ergebnisses bei Ergebnis. Das Handbuch ist reich an Zeichnungen und Fotos, von denen einige abgebildet sindFigur2 . Es enthält außerdem viele Tipps und Details zum präzisen Löten, zur Teilepositionierung, zur Werkzeughandhabung und zu einfachen mechanischen Arbeiten, die zur Fertigstellung des Projektaufbaus erforderlich sind.

Da es sich bei dem vorgeschlagenen Regler nicht um eine vollständige Stromversorgung ohne die übliche Schaltung aus einem Leistungstransformator, einem Gleichrichter und zusätzlichen Glättungskondensatoren handelt, wird hier ein vorgeschlagener Schaltplan – abgestimmt auf den Fortissimo-100-Verstärker – angegebenFigur3 . Die Teile für diesen Abschnitt sind nicht im ±40-V-Linearspannungsregler-Kit enthalten und müssen vor Ort erworben werden.

Obwohl der Aufbau des Projekts und seine praktische Anwendung im Bauhandbuch ausführlich beschrieben sind, sehen wir uns verpflichtet, in diesem Artikel auch den folgenden Sicherheitshinweis abzudrucken: Die großen Kühlkörper sind an die ±40 V-Ausgangsspannung angeschlossen, nicht an GND. Trennen Sie immer die Eingangsspannung, bevor Sie den Regler berühren oder daran arbeiten!

Bei Elektor Labs wurde ein Testaufbau aufgebaut, um den Betrieb des Fortissimo-100-Verstärkers in Kombination mit dem hier beschriebenen linearen Spannungsregler ±40 V zu überprüfen. Beide Einheiten wurden aus ihren jeweiligen Elektor-Bausätzen gebaut. Die folgenden Hauptbestandteile gingen in den Bereich der unregulierten Versorgung:

Bei niedrigen Ausgangspegeln des Fortissimo-100 zeigt das Frequenzspektrum, dass im Vergleich zum Schaltnetzteil SMPS800RE sehr geringe Verbesserungen erzielt werden können (Figur4 ). Die Grafik zeigt das Frequenzspektrum bei 1 W an 8 Ω. Die Schaltartefakte des SMPS800RE sind verschwunden, der Rest des Spektrums ist jedoch im Wesentlichen gleich. Die Gesamtleistung des Combos ist beeindruckend, mit harmonischen Verzerrungen und Rauschen von nur:

Der hier beschriebene lineare ±40-V-Spannungsregler, der als Bausatz bei Elektor erhältlich ist, ist eine gute Alternative zu den besten und dennoch erschwinglichen Schaltnetzteilen auf dem heutigen Markt und sollte diejenigen unter Ihnen zufriedenstellen, die, wenn auch nur geringfügig, Einwände dagegen haben Konzept oder Leistung von „them @#!%^ switchers“. Nehmen Sie gerne an den technischen Diskussionen zum linearen Spannungsregler ±40 V auf der für das Projekt erstellten Elektor Labs-Seite teil.

Anmerkung des Herausgebers: Dieser Artikel (220581-01) erscheint voraussichtlich im September/Oktober 2023 in Elektor.

Bei technischen Fragen können Sie die Elektor-Redaktion per E-Mail unter [email protected] kontaktieren.