±40 V Linearer Spannungsregler Eine alternative Stromversorgung

Für Puristen, die jede Form von Schaltnetzteil für den High-End-Verstärker Fortissimo-100 ablehnen, bietet dieses Projekt einen linearen, symmetrischen Spannungsregler mit mehr als 500+ VA, der sich durch eine niedrige Dropout-Spannung, einen hohen Ausgangsstrom und eine ausgezeichnete Stabilität auszeichnet – und vollständig mit diskreten Bauteilen aus einem Bausatz aufgebaut ist!

Da fast alle Hochleistungs-Audioverstärker von einer stabilisierten Versorgungsspannung profitieren, wurde dieses lineare Netzteil speziell für eine symmetrische Ausgangsspannung von ±40 V und Spitzenströme von 13 A (15 A Spitze erreichbar) entwickelt. Der durchschnittliche Strom beispielsweise einer Fortissmo-100-Endstufe, der eine 3-Ω-Last treibt, beträgt etwa 4 A pro Kanal.

Überlegungen zum Entwurf

Es hat sich gezeigt, dass der High-End-Audio-Verstärker Fortissimo-100 von Elektor am besten mit einem geregelten ±40-V-Netzteil funktioniert, so dass ein „einfaches“ Netzteil, bestehend aus Transformator, (Brücken-)Gleichrichter und einem Satz dicker Speicherkondensatoren nicht in Frage kommt. Ein Schaltnetzteil ist vielleicht auch nicht ganz passend, aber das ist eher eine Frage des persönlichen Geschmacks, denn der Schaltregler SMPS800RE leistet gute Arbeit. Dennoch kann es zwingende Gründe für diesen Linearregler geben, der wie der Verstärker selbst nur aus bedrahteten Bauteilen besteht.
 

Damit der Spannungsregler ohne Einbrüche der Ausgangsspannung arbeiten kann, muss die Eingangsspannung der Schaltung die Ausgangsspannung um mindestens 3 V übersteigen, bei stärkeren Schwankungen der Netzspannung sogar noch mehr. Im Vergleich zu den meisten Schaltnetzteilen, die einen weiten Eingangswechselspannungsbereich besitzen, ist ein Linearregler aber weniger effizient, und es wird ein großer Leistungstransformator mit einer höheren Nennleistung benötigt als ohne Linearregler.
 

Die meisten handelsüblichen Netztransformatoren haben heutzutage standardisierte Sekundärspannungen. Um direkt ±40 VDC zu erzeugen, ist ein Transformator mit einer Nennspannung von 2×30 V vielleicht die beste Wahl. Die resultierende Leerlauf-Gleichspannung beträgt dann in der Regel etwa 42 VDC, was weitgehend vom internen Aufbau des Transformators und dem Spannungsabfall an den Gleichrichterdioden abhängt. In der Praxis ist die Leerlauf-Ausgangsspannung eines Leistungstransformators immer ein paar Prozent höher als unter Last. Die nächsthöhere Standard-Sekundärspannung beträgt 35 V, was bei niedriger Ausgangsleistung etwa 49...50 VDC ergibt - oder mehr, in meinem Labs-Testaufbau habe ich sogar fast 52 V gemessen.
 

Bei einer 8-Ω-Last an der Endstufe benötigt der Regler nur eine kleine Glättungskapazität. Der Vorteil der größeren Welligkeit ist eine etwas geringere Verlustleistung in dem/den Regler(n) im Netzteil. Bei niedrigeren Impedanzen sollte die Restwelligkeit jedoch nicht über die Dropout-Spannung (43 V bei 10 A) hinausgehen In einem Labortest erwies sich ein Ringkerntransformator mit 2×35 V und 300 VA und einer Glättungskapazität von 20.000 µF als robust genug, um den Regler zu versorgen. Die maximale Sinusleistung (kurz vor dem Clipping) bei 20 Hz und 0,1 % THD+N an einer 3-Ω-Last verursachte einen Dropout von nur 1,8 V_Spitze am Versorgungsausgang. Wohlgemerkt, die Dauerausgangsleistung beträgt dann 227 Watt an der 3-Ohm-Last, und der 300-VA-Transformator ist leicht überlastet, aber nicht genug, um die Schutzschaltung des Fortissimo-100 auszulösen.

Funktionsweise in der Theorie

Die Grundlage eines jeden Spannungsreglers besteht darin, die Ausgangsspannung zu messen, sie mit einem Referenzwert zu vergleichen und die Ausgangsstufe entsprechend zu steuern, um etwaigen Änderungen entgegenzuwirken. Obwohl die vorliegende Reglerschaltung diesem Konzept folgt, gibt es eine markante Abweichung: Die viel höhere sekundäre Referenzspannung von etwas über 33 V liegt relativ nahe an der Ziel-Ausgangsspannung von 40 V. Je höher die Referenzspannung - hier 33,6 V - desto mehr Spielraum bleibt einer (einfachen) Schaltung, um sowohl die Welligkeit der Eingangsspannung zu unterdrücken als auch die Regelung der Ausgangsspannung zu erhöhen.
 

Einfach ausgedrückt, besteht die Schaltung aus einer Referenzspannung, einem Differenzverstärker und einem Ausgangspuffer. Zusätzlich sind beide Regler mit einem SOA-Schutz (Safe Operating Area) ausgestattet. Schauen wir uns Bild 1 an, um die Funktionsweise des positiven Reglers zu untersuchen.
 

Referenzspannung

Die Referenzspannung wird nicht durch eine Z-Diode erzeugt, da übliche Z-Dioden üblicherweise erhebliche Temperaturkoeffizienten besitzen. Spezielle temperaturkompensierte Versionen sind heutzutage nur noch schwer zu bekommen, insbesondere mit einer Z-Spannung von 33 V. Anstelle einer Z-Diode wird deshalb eine einstellbare Präzisions-Shunt-Spannungsreferenz namens TL431 mit einer maximalen Arbeitsspannung von 36 V verwendet. Ihre interne Referenzspannung (das heißt, die ursprüngliche Referenzspannung des 40-V-Reglers) beträgt typisch 2,495 V. Der Kathodenstrom durch die TL431 wird durch den Widerstand R1 eingestellt. Wenn die Eingangsspannung zwischen 43 V und 50 V liegt, wird der Strom zwischen 1,9 mA und 3,4 mA eingestellt, was sich als ausreichend erwiesen hat, um eine stabile Referenzspannung von 33,9 V zu erzeugen. Die 33,9 V werden durch die Widerstände R2 und R3 wie folgt eingestellt:
 

U_KA = 2,495 × (1 + R2/R3) + I_REF × R2
 

Der Einstellstrom I_REF des TL431 beträgt typisch 1,8 µA, so dass die Referenzspannung theoretisch 33,95 V beträgt. Dies ist jedoch für einen Kathodenstrom von 10 mA spezifiziert; beim Prototyp liegt dieser Strom etwas niedriger, so dass in der Praxis eine Spannung von 33,55 V gemessen wurde. Der TL431 wird durch C1 entkoppelt, während C2 die Gesamtstabilität verbessert.
 

Differenzverstärker

Der Differenzverstärker ist minimalistisch aufgebaut 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 am Basis-Emitter-Übergang von T1 und an D1 leicht mit der Temperatur schwankt. Die Schottky-Dioden D1 und D2 begrenzen eine (gerade noch denkbare) Sperrspannung von T1 und die Basis-Emitter-Spannung von T2.
 

Um den Einfluss des Spannungsabfalls über den Dioden zu verringern und gleichzeitig die Eingangs-Offsetspannung des Differenzpaares aufgrund von Temperaturänderungen nicht zu stark werden zu lassen, ist das Transistorpaar auf der Platine nebeneinander angeordnet, so dass beide Diodenübergänge dieselbe Temperatur haben. Ein paar Millivolt Offset, die auch durch Unterschiede der beiden Transistoren T1 und T2 verursacht werden, haben keine nennenswerte Auswirkung auf die viel höhere Ausgangsspannung von 40 V. Selbst eine Offset-Änderung von 30 mV bedeutet weniger als 1 % Abweichung der Ausgangsspannung, was für den Betrieb des Leistungsverstärkers unerheblich ist.
 

Die Spannung am Kollektorwiderstand R6 wird zur Ansteuerung der Ausgangsstufe verwendet. R5 mit C3 sowie C4 und C5 bilden die Frequenzkompensation, um den Regler auch bei aktiver SOA-Schutzschaltung (T3/R7/R8/R9) stabil zu halten. Der Spannungsteiler R16-P1-R17 misst die Ausgangsspannung und sorgt für die Gegenkopplung des Differenzverstärkers. Um alle Toleranzen ausgleichen zu können, lässt sich an P1 ein Ausgangsspannungsbereich von etwa 38,6 V bis 41,1 V einstellen. Wenn sich der Schleifer des Trimmpotis in der Mitte befindet, liegt die Ausgangsspannung ziemlich genau bei 40 V.
 

Ausgangsstufe

Obwohl es Transistoren gibt, die den maximal erforderlichen Ausgangsstrom bewältigen könnten, wenn eine konstante Eingangsspannung von 50 V an den Regler angelegt wird, teilen sich hier die beiden Transistoren T5 und T6 brüderlich die Arbeit, um:

• die Verlustleistung pro Transistor auf ein sicheres Maß zu begrenzen
• den Überlastbereich zu vergrößern
• eine niedrigere Dropout-Spannung und einen größeren sicheren Betriebsbereich zu erreichen

Die Umsetzung dieser Kriterien verringert das Risiko, dass die Endstufe im Falle einer Überlast oder sogar eines Kurzschlusses beschädigt wird. Die „dicken“ PNP-Leistungstransistoren TIP36C (und die NPN-Varianten TIP35C im Negativregler) sind von mehreren Herstellern leicht erhältlich. Im positiven Regler werden PNP-Transistoren verwendet, um den kleinstmöglichen Spannungsabfall der Ausgangsstufe so niedrig wie möglich zu halten, wobei die Basisströme gegen Masse fließen.
 

Die Dropout-Spannung ist die Summe aus der Sättigungsspannung der Transistoren und dem Spannungsabfall an den Emitterwiderständen. Ein niedrigerer Wert für die Emitterwiderstände würde die Dropout-Spannung zwar etwas verringern, aber die Ströme durch die beiden Transistoren können zu stark werden. Bei hohen Kollektorströmen ist die Verstärkung der Transistoren sehr gering, so dass ein zusätzlicher Transistor (T4) erforderlich ist, 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 von T4 und den Bedarf an Kühlkörpern. Allerdings gibt es dabei einen Haken: Sollte - aus welchen Gründen auch immer - die Eingangsspannung unter die Dropout-Spannung fallen, leitet T4 dauerhaft und die Verlustleistung in seinem Kollektorwiderstand von insgesamt 100 Ω ist mit 16 W (bei 40 V Eingangsspannung) recht hoch. Dies sollte zwar in der Praxis nicht vorkommen, dennoch wurden drei 5-Watt-Widerstände verwendet, damit sie auch im Falle eines Falles nicht abbrennen.
 

Ein weiterer Vorteil dieses Kollektorwiderstands ist, dass er die Basisströme von T5 und T6 begrenzt und somit als einfache Strombegrenzung fungiert. Für den eigentlichen Schutz sorgt jedoch T3: Der Ausgangsstrom wird vom Spannungsteiler R7/R8 als Spannungsabfall über dem Emitterwiderstand von T5 gemessen, und dieser treibt die Basis von T3. Wenn zum Beispiel der Strom durch R14 etwa 7 A beträgt, liegt der gesamte Ausgangsstrom bei 14 A. Der höchste zu erwartende Ausgangsstrom beträgt aber etwas über 12 A_Spitze mit einer 3-Ω-Last am Verstärkerausgang. T3 fängt an zu leiten, und zwar - wegen R9 - sogar schon früher, je nach der Spannung an T5. Der genaue Pegel, bei dem T3 in Durchlassrichtung vorgespannt wird, ist temperaturabhängig und sinkt mit steigender Temperatur - ein zusätzlicher Schutz, und bei Musikwidergabe wird dies kein Problem sein.
 

D3 schützt die Ausgangsstufe, falls die Eingangsspannung plötzlich unterbrochen oder kurzgeschlossen wird. T5 und T6 sind mit einem Paar 1000-µF-Kondensatoren mit niedrigem ESR entkoppelt. LED1 zeigt, ob die Spannung von +40 V am Ausgang anliegt.Obwohl es auf den Fotos den Anschein hat, dass D6 auf der Platine verkehrt herum eingebaut ist, können sowohl D6 als auch D3 in beiden Richtungen eingebaut werden und funktionieren trotzdem korrekt. Die Diode HTR20L120CT hat in ihrem 3-poligen TO220-Gehäuse nämlich zwei interne Dioden mit einer gemeinsamen Kathode, die mit dem mittleren Pin des Bauteils verbunden ist.
 

Der Reglereingang ist durch eine 15-A-Sicherung geschützt. Der maximale effektive Strom muss berücksichtigt werden, und bei maximalem Sinus-Halbwellenstrom beträgt der Effektivwert I_Spitze/2, also 6,5 A. Bei sehr niedrigen Audiofrequenzen von beispielsweise 16,4 Hz (wenn Sie Orgelmusik mögen) kann der Spitzenstrom jedoch einige Millisekunden andauern. Damit die Sicherung unter solchen Bedingungen nicht durchbrennt, wird hier ein 15-A-Typ verwendet, was nebenbei auch den Spannungsabfall reduziert. Wenn der Verstärker und/oder der Regler viel mehr Strom abnimmt, brennt die Primärsicherung am Netztrafo ohnehin durch, die 15-A-Sicherung kommt bei einem plötzlichen Kurzschluss „dahinter“ zu ihrem zuverlässigen Einsatz.

Bausatz, Bauanleitung und Stückliste

Der Elektor-Shop bietet einen umfangreichen Bausatz für das Projekt Linearer Spannungsregler an, der die Platine und alle in der Stückliste aufgeführten Bauteile enthält. Dieser hervorragende Bausatz erspart Ihnen die Mühe, elektronische und mechanische Teile zu bestellen und Platinen auf Bestellung anfertigen zu lassen.
 

Dem Bausatz liegt eine zwölfseitige Bauanleitung bei, die Schritt für Schritt erklärt, wie man das Projekt zusammenbaut und hoffentlich ein perfektes Ergebnis erzielt. Die Anleitung ist reich an Zeichnungen und Fotos, von denen einige in Bild 2 zu sehen sind. Sie enthält auch viele Tipps und Details zum präzisen Löten, zur Positionierung der Teile, zur Handhabung der Werkzeuge und zu den einfachen mechanischen Arbeiten, die für den Bau des Projekts erforderlich sind.

 

Da es sich bei dem Spannungsregler nicht um eine vollständige Stromversorgung handelt, müssen ein Leistungstransformator, ein Gleichrichter und Glättungskondensatoren hinzugefügt und wie im Verdrahtungsplan in Bild 3 mit dem Spannungsregler und dem Fortissimo-100-Verstärker verbunden werden.

 

Sicherheitsaspekte

Obwohl der Aufbau des Projekts und seine praktische Anwendung in der Bauanleitung ausführlich beschrieben sind, fühlen wir uns doch verpflichtet, den folgenden Sicherheitshinweis auch in diesem Artikel zu drucken: Die großen Kühlkörper sind mit der ±40-V-Ausgangsspannung verbunden, nicht mit Masse. Schalten Sie deshalb immer die Eingangsspannung ab, bevor Sie den Regler berühren oder daran arbeiten!

Erzielte Ergebnisse

Im Elektor-Labor wurde ein Testaufbau erstellt, um den die Leistungsfähigkeit des Fortissimo-100-Verstärkers in Kombination mit dem hier beschriebenen ±40-V-Linearspannungsregler zu verifizieren. Beide Geräte wurden aus den jeweiligen Elektor-Bausätzen gebaut. Im ungeregelten Schaltungsteil wurden folgende zusätzliche Bauteile verwendet:

• 1 Stk. TX-146-300-235, Leistungstransformator (300 VA, 2×35 VAC sekundär).
• 2 Stk. 10.000 µF-Elko pro Versorgungsspannungsschiene (das heißt 20 mF auf jeder Schiene).
• 1 Stk. SB352SBPC, Brückengleichrichter, 35 A/200 V (25 A/100 V funktioniert ebenfalls zufriedenstellend).

Bei niedrigen Ausgangspegeln des Fortissimo-100 zeigt das Frequenzspektrum, dass im Vergleich zum Schaltnetzteil SMPS800RE sehr geringe Verbesserungen erzielt werden können (Bild 4). Die Grafik zeigt das Frequenzspektrum bei 1 W an 8 Ω. Die Artefakte des SMPS800RE sind verschwunden, aber der Rest des Spektrums ist im Wesentlichen gleich. Die Gesamtleistung der Kombination ist beeindruckend, mit einer harmonischen Verzerrung und einem Rauschen, das so niedrig ist wie:

• 0,0007 % (1 kHz, 1 W, 8 Ω, B = 22 kHz)
• 0,0013 % (1 kHz, 1 W, 8 Ω, B = 80 kHz)

Der hier beschriebene ±40-V-Linearspannungsregler, der als Bausatz bei Elektor erhältlich ist, ist eine gute Alternative zu den besten „bezahlbaren“ Schaltnetzteilen auf dem Markt. Er sollte diejenigen unter Ihnen zufriedenstellen, die das Konzept oder die Leistung von „diesen @#!%^-Schaltreglern“ ablehnen, auch wenn sie so praktisch und so klein sind. Sie können sich gerne an den technischen Diskussionen über den linearen ±40-V-Spannungs-regler auf der Elektor-Labs-Seite beteiligen, die für das Projekt eingerichtet wurde.
 

Anmerkung des Redakteurs: Dieser Artikel (220581-01) soll in der folgenden Ausgabe erscheinen Elektor September/October 2023.

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Wenn Sie technische Fragen haben, können Sie sich per E-Mail an die Elektor-Redaktion wenden: redaktion@elektor.de.