T-reg: Nagyfeszültségű szabályozó a csőerősítőkhöz

Miért jó dolog a (cső) áramkörök szabályozott táplálása? Ha egy áramkört nézünk, akkor egy egyenáramú forrás látja a szakaszokat. A hallgatólagos feltételezés az, hogy az egyenáramú áramforrás éppen ilyen - egyenáramú energia, nincs zaj, zaj és a jel frekvenciájának hullámzása. De ez természetesen nem így van. Az egyenirányító és a simító áramkörön keresztül hullámzás és zaj hallható a hálózatról. Még akkor is, ha kedveli a C-L-C és így tovább áramköröket, soha nem teljesen tiszta. És a jel frekvenciájától függően változó terhelési áram a táp belső ellenállása révén áramlik, és Mr. Ohm megmutatta nekünk, hogy az áram × ellenállás a jelhez kapcsolódó feszültséget okoz a tápegységen. Az rossz?

Minden erősítő rendelkezik egy tápellátási elutasítási aránynak (PSRR) nevezett tulajdonsággal, amely annak mértékét mutatja, hogy a tápegység hullámzásának és zümmögésének mekkora része áramlik át a kimenetig. Természetesen az erősítő topológiájától függ, de mindig ott van. Az egyvégű áramkörök különösen érzékenyek erre. Tehát egy szabályozott táp, amely minimalizálja a hullámzást, a zajt és a zajt a tápvezetéken, nagyon hasznos a tiszta, torzítatlan hangzáshoz. Különösen, ha sokkal jobb, kisebb és olcsóbb lehet, mint egy klasszikus C-L-C áramkör.

A megoldás
A projekt ötlete akkor merült fel bennem, amikor egy megszakadt 1970-es évekbeli Lambda 250V laboratóriumi tápegységen dolgoztam. Néhány órát töltöttem rá, és megtaláltam a problémát: hibás feszültségszabályozó IC, 14 tűs Lambda FBT-00031. A Lambda technikai támogatása egyetlen lapot adott a chiphez. Több hét kellett ahhoz, hogy valaki az interneten azonosítsa a chipet új márkanévvel ellátott Motorola MC1466L néven (1. ábra), ami természetesen elavult.

Két NOS forrást találtam: az egyiket a Távol-Keleten, egyenként 280 dolláros áron, minimum négy megrendelésre, a másikat a közeli Németországban, egyenként 6 euróért. Rendeltem párat, kicseréltem a chipet, és az ellátás tökéletesen működött. Olyan érdekesnek találtam ennek a chipnek a fogalmi megközelítését, lebegő hibás erősítővel és referencia beállítással, egyetlen ellenállással, hogy úgy döntöttem, hogy megnézhetem, alkalmazhatom-e egy nagyfeszültségű csőszabályozóra.

Áramköröm koncepcióját az ábra mutatja. 2. Ez egy nagyfeszültségű szabályozó, de szeretném a lehető legnagyobb mértékben elkerülni a viszonylag ritka és drága nagyfeszültségű eszközöket és alkatrészeket. Ezért van egy külön kisfeszültségű táp, amely a nagyfeszültségű kimenet tetején úszik. Ez a kisfeszültségű táp, amelyet az egyenirányított áteresztő csőmelegítő táplál, működteti a referencia és a vezérlő áramköröket, amelyek kisfeszültségűek lehetnek.

Ez a típusú szabályozó ugyanazokból a modulokból áll. Mindig van egy referenciafeszültség és egy hibaerősítő, amely összehasonlítja a referenciafeszültséget (a minta) a kimeneti feszültséggel. A hibaerősítő ezután a pass elemet vezérli a kimenet vezérléséhez.

Hogyan működik
Az áramkörömben a referenciafeszültség az R3 ellenállásból származik, amelyet a lebegő Q1 állandó áramforrás hajt. Q2 és Q3 alkotják a hibaerősítőt. Ez egy differenciálerősítő, de kiegészítő eszközökkel, nem pedig a két hasonló eszközzel megszokottabb differenciálerősítővel. De ugyanúgy működik: a referencia a Q3 bemeneten van, és a kimeneti feszültség a Q2-nél van szabályozva.

Ha a kimeneti feszültség a beállított érték alá csökken, akkor a Q2 jobban kezd vezetni, és az áthaladó eszköz R5-ös keresztirányú meghajtó-feszültsége megnő, ami viszont addig növeli a kimenetet, amíg ismét a beállított értékre nem kerül. Hasonlóképpen, amikor a Vout túl magasra kerül, a meghajtó lecsökken, és a Vout visszaáll a beállított értékre. Mivel a Vout egyenlő a Vref-vel, kivéve a 2-Vbe-eltolást, elvileg a kimeneti feszültséget bármire beállíthatja, csak az R3 kiválasztásával. Ez nagy előny a hagyományosabb telepítéseknél.

Hagyományosan van egy referenciafeszültsége, amely a Vout töredéke, majd felosztja a Vout-ot Vref-re, mielőtt betáplálná a hibaerősítőbe. Ha módosítani szeretné a Vout-ot, akkor meg kell változtatnia az osztási arányt. Hátránya, hogy ez megváltoztatja a vezérlő hurok hurokerősítését is, ami ismét azt jelenti, hogy a teljesítmény és a stabilitás változik a kimeneti feszültséggel. A Vout-tal megegyező referenciafeszültség használatával, ahogy tettem, az áramkör stabilitása és teljesítménye nem változik a kimeneti feszültséggel.

Elgondolkodhat azon, miért olyan erős áramkör az erősítő hiba. Természetesen a nagy teljesítményű erősítő használata itt növeli a teljesítményt, de nem hatalmasat. Az ilyen erősítő alapú, nagyon erős nyereségű áramkörök például stabilitással és kompenzációval hozzák fel saját problémáikat. Valójában az áramkör as-már most is elég nagy teljesítményű, amint az a. 3. és 4. ábra.

A jó teljesítmény egyik oka, hogy a hibaerősítő terhelési ellenállása a Vdrive és a föld közötti ellenállás, R5. Csőt használva áteresztő eszközként, ez az ellenállás képezi a rácsellenállást, amelynek az eszköztől függően 500 kΩ körül kell lennie. Tehát még egy nagyon kicsi hiba is a Q2 B és E között viszonylag nagy „korrekciós” áramhoz vezet az R5-n keresztül, és így elég nagy korrekciós feszültséghez a Vdrive-on. Ez a hurokerősítés az egyszerű áramkör ellenére elég nagy, ezért úgy döntöttem, hogy nem használok nagy erősítésű op erősítőt.

Egyéb szempontok
Ez egy csőszabályozó, ezért még néhány tényezőt figyelembe kell venni. Az egyik az anódfeszültség késleltetett alkalmazása, nemcsak az áteresztő eszközre, hanem a táplálandó erősítőre is. A teljes áramkört (az áthaladó eszköz nélkül) az ábra mutatja. 5. Az U1 egy szabványos 555 (CMOS) időzítő, amely az áramellátás bekapcsolása után egy idő után lehúzza az U4-ben lévő LED-et.

A késleltetést R8 és C3 állítja be, és a megadott értékekkel körülbelül 30 másodperc. Rövidítheti a C3 értékének csökkentésével, vagy hosszabbíthatja az R8 növelésével. A C3 szivárgásától függően az 1MΩ valószínűleg az R8 maximális értéke. Amint az U4 LED-je világít, az opto-triac kigyullad és bekapcsolja az U3 tirisztort, amely az egyenirányított nagyfeszültséget alkalmazza az áteresztő csőre (J4). Mivel az áteresztő csőhöz fűtőfeszültségre van szükség, ezt használtam a referencia és vezérlő áramkörök áramellátására is a BR1 egyenirányítón és a C6 kondenzátoron keresztül.

Fontos tényező a referenciafeszültség „tisztasága”. Ha némi zúgás vagy zaj van a referencián, azt hűen megismétli a kimeneten lévő hibaerősítő. A Q1 áramforrás a D5 LED-en keresztül kapja meg a Vbe referenciát. Mivel R1 értéke 1,3 kΩ, a referenciaáram majdnem pontosan 1 mA, ami megkönnyíti az R3 referencia ellenállás kiválasztását: mindössze 1 kΩ minden kívánt kimenethez.

A D5 LED feszültségforrásként működik és nagyon tiszta. Az első prototípusnál azonban nem volt U2 áramszabályozó, csak egy ellenállás volt a LED áramának beállításához. A vezérlőellátás zümmögése miatt a LED torzító ellenállása zümmögött, ami nagyon kicsi zümmögést okozott a LED-en, de elég ahhoz, hogy megjelenjen a referenciában. Azt is észrevettem, hogy a kimeneti feszültség több mint 100mV csökkent 100mA terhelésváltozás mellett. Ennek oka: mind a nagyfeszültségű, mind a fűtőellátás ugyanabból a transzformátorból származik.

A terhelés növelésével a transzformátor másodlagos feszültsége kissé csökken, beleértve a referencia és vezérlő áramkört ellátó fűtőberendezést is. Ez elég volt ahhoz, hogy a LED-en keresztüli áramot, és ezért a referenciafeszültséget kissé lecsökkentsék. Más szavakkal, a terhelés növelése csökkentette a referenciát! Ezután kipróbáltam egy feszültségszabályozót a referencia és a vezérlő tápra. Ez bevált, de elvesztettem némi rugalmasságot a fűtés feszültségeivel kapcsolatban, mert egy (5 V) szabályozónak némi kiesési tartalékra is szüksége van.

Végül elszámoltam az U2 áramszabályozóval, egy LM344-mel, amely még valamivel jobban teljesített, mint egy feszültségszabályozó a tápegységen. A vázlaton vannak további részek védelmi célokra. A legnyilvánvalóbb az FU1 biztosíték, amely sorozatban van a nagyfeszültséggel. Ezután a tranzisztorok védelme áll rendelkezésre. Például, ha a nagyfeszültséget U3 kapcsolja be, akkor a Q1 kollektoránál a referenciafeszültségnek időre van szüksége, hogy felemelkedjen C1 töltésével. Ezalatt a kimeneti vonalon a tranziensek jóval magasabbak lehetnek, mint a Q1 biztonságos Vce értéke. A D2/D8 korlátozza ezt az értéket.

A Q2 védelme szintén szükséges ugyanezen okokból: átmeneti körülmények között a Vout tetőzhet a kívánt érték fölé. A Q2 megpróbálja kijavítani azt, amely miatt a Q2 Vc-je pillanatnyilag nagyon alacsony értékre csökken. A Q2 Vce értékét 100 V-ra korlátozza a D1. Ez azt jelenti, hogy a Vgrid maximum 100 V negatív lehet a Vout-hoz, az áteresztő cső katódfeszültségéhez viszonyítva. Ennek az értéknek elégségesnek kell lennie alacsony mu-triódák és alacsony terhelésű áram esetén is. R14 korlátozza a kis jelű tranzisztorokon átmenő maximális áramot indítási és tranziens körülmények között.

Konfigurációk
Mivel ez az áramellátás meglehetősen univerzális a kimeneti feszültség szempontjából (elvileg az átvezető cső minimális Vgk-jétől 500 V-ig, a nagyfeszültségű egyenirányító és a kondenzátorok feszültségértéke korlátozza), azt gondoltam, hogy ezt is rugalmasabbá az áramellátást illetően. Az egyenirányító, a referencia és a vezérlő áramkörök az alaplap típusú PC kártyákra illeszkednek (1. kép). Aztán van egy kis plug-in-board, amely a pass eszközt és néhány ellenállást hordoz, és amely az alaplapra van csatlakoztatva.

Így a szabályozót különböző áteresztő eszközökkel használhatja, a terhelés áramától függően. Jelenleg három plug-in-boardom van (2. kép). Teljesítményerősítők esetén a 6528 kettős triódás csővel ellátott beépülő modul akár 600 mA-t is képes leadni (természetesen megfelelő transzformátorral). Ezt a csövet kifejezetten sorozatszabályozásra fejlesztették ki. Ezen a dugaszolható táblán egy 6080-as cső is elfér. Alacsonyabb mu miatt kissé magasabb a Zout-ja, és valamivel magasabb a zaja és a zaj, de ha véletlenül valamelyikük fekszik, akkor jó eredménnyel használhatja. A fényképen elhelyezett beépülő modul egy EL84/EL86 típusú triódával csatlakoztatott kisméretű pentódával ellátott kártya előerősítőkhöz és hasonló terhelésekhez, legfeljebb 50mA.

Végül azok számára, akik „zöld” verzióra vágynak, és kb. 10 W-ot megtakarítanak a hőleadó cső fűtőberendezéséhez, van egy MOSFET kimerülési módú tábla, egy DN2540. Ez a beépülő modul két DN2540-et és azok hűtőbordáit képes befogadni 1A-nál nagyobb kimeneti terhelés esetén, a Vds-esés szóródásától függően. A dugaszolható táblák áramköreit a 2. és a 2. ábra szemlélteti. 6. Mivel a 6528 (6080) kettős triódák, kisebb értékű katódellenállások vannak az áramok kiegyenlítésére nagyobb terhelések esetén. Ugyanezt alkalmazzák a DN2540 kártyán, ha két eszközt használ a megnövelt terhelhetőség érdekében (rövidre zárhatja a forrásellenállást, ha csak egyetlen DN2540-et használ).

A beépíthető táblák rács- és kapudugókkal is rendelkeznek a fokozott stabilitás érdekében. A DN2540 kártya egy további 100 V/5 W-os zener diódával (D5) rendelkezik, amely megvédi a MOSFET-et bekapcsolási és terhelési tranziensek, valamint a Vgs-védelmi zener diódák alatt. Egy szabványos hűtőbordát is elfogad; a csövek mindenképpen előnyben vannak a disszipációs osztályon.

A táblák szabványos, 0,1 hüvelykes NYÁK-csatlakozókkal és méretre vágott fejlécekkel vannak összekötve. Ne feledje, hogy a MOSFET pass eszköz használatakor nincs szüksége a fűtés csatlakozóira a két kártya között. Az M3-as gépcsavarok és a 12 mm-es távtartók rögzítik a dugót az alaplapon.

Teljesítmény
A 3. és 4. ábra a különböző verziók kimeneti impedanciáját, kimeneti zajt és zaját mutatja az audiosávon keresztül. A teljesítmény meglehetősen tekintélyes egy nagyfeszültségű csőellátásnál. A legjobb teljes körű előadó a MOSFET, magas transzvezetőképessége miatt; a különbségek azonban kicsiek. A terhelés alatti zaj és zaj általában 500 μV RMS alatt van, 20 kHz-es sávszélességben az összes változatnál (főleg a vonallal kapcsolatos hum komponenseknél).

Kíváncsi lehet, miért építettem valójában három verziót. Miért nem csak a DN2540-et használja? Ez a legjobban teljesítő, és van még egy előnye: alacsonyabb kiesési feszültség. A DN2540 csak 10 vagy 15 V Vd-vel működik (a bemeneti hullámzástól függően), míg a csövek változatai több tíz voltos Vak-t igényelnek a tiszta működéshez. Ez azt jelenti, hogy egy adott transzformátor esetében a DN2540 10–15 V-mal több egyenáramú kimenetet és kevesebb szórást biztosít. De nem csak mérésekről van szó. Bár nehezen hallanék különbséget az erősítőt tápláló szabályozók között, mindig ott van az „X-faktor”. Teljesen jó okokból előnyben részesíthet egy csőerősítőt egy csőerősítőben. Tehát a választás a tiéd!

Testreszabás
A bemeneti feszültséget korlátozza az egyenirányító diódák és kondenzátorok névleges feszültsége - 500 V csúcs az én verziómban. Ez a Vout-ot 485V-ra korlátozza a DN2540-vel. Ha nagyobb kimeneti feszültségre van szüksége, akkor magasabb besorolású diódákat használhat a D3, 4, 6, 7 és C10, 11 esetén (7. ábra). Ne feledje, hogy a diódákat legalább az egyenirányított csúcsfeszültség kétszeresére, lehetőleg nagyobbra kell értékelni. Mindig bölcs dolog egészséges tartalékot tartani a dióda és a kondenzátor névleges értékéhez, hogy megbirkózzon a terheletlen kimeneti feszültségekkel és a magas hálózati feszültséggel.

Használhat egy transzformátort, amelynek egyetlen szekundere van a J12 1. és 3. érintkezőjéhez csatlakoztatva, vagy egy középre csapolt másodlagoshoz, amelynek csapja a J12 2. érintkezőnél van. Ez utóbbi esetben természetesen kihagyhatja a D4 és D6 diódákat. Az alaplap rendelkezik egy kis ellenállással a két tartály kondenzátor (R10) között, hogy levegye a nagyfrekvenciás élt a hullámfeszültségről. A 12Ω valószínűleg kissé túl magas a 100mA feletti terhelési áramokhoz, ezért kísérleteznie kell vele, vagy teljesen le kell rövidítenie. Használhat fedélzeti tartály kondenzátorokat és/vagy fojtókat is. Az egyenirányított feszültség hullámának csökkentése azonban nem eredményez 1: 1 javulást a Vouton, mert a Vref hullámzása kezd dominálni.

A jelenlegi állapot szerint a teljesítmény elég kiegyensúlyozott. Amint megjegyeztük, a kimeneti feszültség 1,2 V-rel alacsonyabb a Vref alatt. Könnyedén beállíthatja a Vref-et az R3 kiválasztásával. Körülbelül 1 mA referenciaárammal Vref (voltban) = R3 (kΩ-ban). Ne feledje, hogy a Vout beállításához külső ellenállást vagy potmérőt használhat a J7-en. Ha fazekat használ, mindenképpen használjon olyat, amely ellenáll az 500 V-nak! Feltéve, hogy elegendő egyenirányított bemeneti feszültsége van, a Vout értékét bármilyen okra beállíthatja. A minimális Vout a negatív rács/kapu meghajtó feszültségétől függ. Ha az R3 rövidítésével a Vref = 0 értéket állítja be, akkor a DN2540 is meglehetősen nullához közelít, de egy 6528-as érték a szükséges negatív rács-torzítás miatt nem lesz alacsonyabb tíz voltnál, mint a terhelés. A katód kimenetének a hálózaton lévő meghajtási feszültség felett kell lennie, kivéve a meglehetősen nagy kimeneti áramokat.

Építkezés
Az építkezés megkezdése előtt vegye figyelembe, hogy ez a tápegység halálos feszültségű és áramú pontokat tartalmaz, beleértve a DN2540-esek hűtőbordáit is! Ön felelős a saját biztonságáért, nem én, sem az aX emberei. A táblán végzett munka előtt ellenőrizze még egyszer, hogy a nagyfeszültségű bemenet ki van-e kapcsolva vagy ki van-e kapcsolva. Töltse le a nagyfeszültségű kondenzátorokat 1k ellenállással. Gyakorold, hogy az egyik kezedet a zsebedben tartod, amikor az élő táblákat méteres szondával vagy egyáltalán bármivel érinted meg, hogy elkerüld a testáramokat. A nagyfeszültségű kondenzátorok kikapcsolt állapotban is veszélyes töltésűek lehetnek. Mentsük ki őket.

Figyelem: az áteresztő cső fűtőellátását a referencia és vezérlő áramkörökhöz is használják, és a szabályozott nagyfeszültségen úsznak. Ne használja ezt a fűtőtekercset az áramellátásba kerülő berendezés egyéb csöveihez. Ha a DN2540 plug-in kártyát használja, akkor is külön úszó tápra van szüksége a referencia és a vezérlő áramkörökhöz. Mindenesetre használhat egy kis külön 5 vagy 6 V-os váltóáramú transzformátort is, feltéve, hogy elegendő szekunder szigeteléssel rendelkezik ahhoz, hogy a maximális Voutig lebegjen. Az építkezés egyszerű, ha az alaplap-plug-in kártya megközelítést alkalmazzák. A 8. ábra az alaplap és a beépülő modulok alkatrész-tömítő vezetőit mutatja. Az alkatrészek teljes listája az 1A-1D. Táblázatokban található.

A legjobb az alaplapon lévő kis részekkel kezdeni, például ellenállásokkal, diódákkal, tranzisztorokkal és fejlécekkel, így a nagyobb kupakok maradnak utoljára. Ügyeljen arra, hogy a csapokat és a fejléceket egyenesen szerelje fel. A dugaszolható táblák lyukainak helyei pontosan megegyeznek az alaplapon lévőkkel, de ha a csapok és a fejlécek függőlegesen kissé el vannak helyezve, kevésbé simán párosodnak. A tranzisztorok a csatlakozódeszka alatt vannak. A magasságkorlátozás miatt vízszintesen hajtsa őket a táblára az ábra szerint. Tegye ugyanezt a kimeneti elektrolitikákkal C4 és C5. Az elrendezés nyitott teret biztosít erre.

Az alaplapot csatlakoztatás nélkül is tesztelheti, hogy ellenőrizze a késleltetési és tirisztor áramkörök működését. A D10 LED-nek világítania kell bekapcsolt állapotban, míg a D5-nek a késleltetési idő után be kell gyulladnia. (A D9 csak akkor kapcsol be, ha csatlakoztatva van egy áthidaló eszköz.) A J4 bemeneti feszültségének a késleltetés után is be kell kapcsolnia. Ezután töltse fel az egyik plug-in lapot, szerelje fel az alaplapra, és ellenőrizze az egész összeállítást. Nos, ennyi.