Konzol Blog (Hifi és ilyesmi)

Lássuk csak... Van benne egy műveleti erősítő, néhány tranzisztor, egy feszültség referencia és néhány ellenállás. A nagy kérdés: Építhetünk-e lineáris feszültség szabályozót hasonló diszkrét alkatrészeket használva? Igen!

 

 

Mielőtt a monolit feszültség szabályzó IC-k népszerűvé váltak volna, az emberek egyedi alkatrészekből esetleg egy-két általános célú IC-ből készítettek lineáris feszültség szabályozókat. "Csináld magad" (DIY) szabályzóknak fogom hívni ezeket, jobb kifejezés híján. Ahogy a μA741 IC műveleti erősítő az 1960-as évek végén leváltotta az egyszerű diszkrét alkatrészekből épült erősítő áramköröket, a 3-kivezetéses fix feszültségű feszültség szabályzó IC-k néhány évvel későbbi kifejlesztése megkezdte a "Csináld magad" stílusú teljesen diszkrét alkatrészekből épülő feszültség szabályozók kiszorítását. Ezek az IC-k könnyen használhatók, kevés helyet foglalnak el a NYÁK-on, és meglehetősen jó teljesítményt nyújtanak. A nagy népszerűség azt eredményezte, hogy az LM317-hez hasonló 3 lábú szabályozókat több gyártó gyártja, és meglehetősen olcsón beszerezhetőek. Amennyiben több pénzt szeretne elkölteni a jobb teljesítmény reményében, akkor sok továbbfejlesztett feszültség szabályozót találhat a piacon. Miért is akarna valaki visszatérni azokhoz az időkhöz, amikor az emberek saját maguk készítettek lineáris feszültség szabályozóikat általános célú alkatrészekből? A piacon kapható továbbfejlesztett lineáris tápegység IC-kkel az a fő gond, hogy nem szabványosak a kivezetéseik és meglehetősen drágák is lehetnek. Nézzük például a Linear Technology LT1581 nagy áramú, nagy sebességű LDO szabályozóját! Ez egy 7 kivezetésű TO-220 tokozású alkatrész, aminek az árából elég tisztességes hagyományos alkatrészgyűjteményt lehet vásárolni. Ha megengedi magának azt a luxust, amit a "Csináld magad" (DIY) megközelítés kíván, akkor könnyen hasonló, vagy jobb teljesítményt érhet el mint egy monolitikus IC-vel épült feszültség szabályozóval.

Ez a cikk a "Csináld magad" (DIY) stílusú lineáris feszültség szabályozók fejlődéstörténetét követi nyomon. A kezdeti koncepcióból kiindulva, amelyek fölépítése alapvetően követi a fenti "ős típus" blokk diagramját, a történet egy nagyon kifinomult tervvel fog zárulni. Ez a végleges terv két évtized alatt fokozatosan alakult ki, így ennek lépéseit fogom bemutatni. Úgy gondolom, hogy az egyes lépések bemutatása segít a végső változat megértésében.

A történetet az audioXpress elődjének számító "The Audio Amateur" folyóirat cikkei alapján fogjuk követni. Az audioXpress teljes katalógust kínál az 1970-es évekig visszamenőleg, így én is ezek alapján követtem az előzményeket. (A legtöbb késői szám még mindig elérhető nyomtatott formában; az 1970-es években nyomtatottak közül néhány példány már elfogyott, és csak az 1970-es években újranyomtatott változat érhető elCD-n Itt nem az a célom, hogy ezt az anyagot megismételjem, hanem összefoglaljam annak tartalmát és útmutatót nyújtsak a további olvasáshoz. Ha szeretné ezeket a terveket részletesen megismerni, azt javaslom, hogy szerezze be a hivatkozott irodalmat. Az eredeti cikkek közül sok tartalmaz olyan információkat, amelyeket itt nem említek.

 

 

A fenti az "ős típust" ábrázoló blokkdiagram soros lineáris feszültség szabályozónak nevezett áramkörre jellemző. Soros, mivel az áteresztő tranzisztor sorosan helyezkedik a bemenet és a kimenet között. Az ilyen típusú szabályozó egy egyszerű ötleten alapul: a tranzisztor kimeneti lábán megjelenő feszültség a bázis feszültségének - áramának - változtatásával szabályozható . Nézzük hogyan működik: A műveleti erősítő (hibaerősítő) egyik bemenetéhez csatlakozik a V_REF feszültség-referencia. Feszültségreferenciát sokféleképpen készíthetünk, így az alkalmazott technológia jelenleg nem fontos. Egy jó referencia állandó feszültséget szolgáltat változó körülmények között Olyan változatokat is lehet kapni, amelyek a szabványos feszültség bármelyikét tudják szolgáltatni. A hibaerősítő másik bemenetéhez csatlakozik egy feszültségosztó osztási pontja. Erre később még visszatérünk. A műveleti erősítő a két bemenetének feszültségét a kimeneti feszültségének beállításával igyekszik egyenlővé tenni. Az ábrán a hibaerősítő kimenete egy NPN tranzisztor bázisához csatlakozik. Amikor a hibaerősítő áramot folyat ennek a tranzisztornak a bázisába, akkor áram folyik a kollektorból az emitterbe, és ez a tranzisztor pedig bázis áramot szolgáltat az áteresztő tranzisztornak. Ez az elrendezés lehetővé teszi, hogy egy néhány tíz milliamper meghajtására képes műveleti erősítő vezérelhessen körülbelül egy ampernyi áramot az áteresztő tranzisztoron keresztül. Most jön az trükkös rész. Tegyük fel, hogy van egy 5 V-os feszültség referenciánk, és a feszültségosztó úgy van beállítva, hogy a V_OUT és a GND közötti feszültséget leossza 4-gyel. A műveleti erősítő megpróbálja egyenlővé tenni a két bemenetének feszültségét, és mivel az egyik bemenet (a feszültség referencia) feszültsége állandó, addig állítja a kimeneti feszültségét, amíg 5V meg nem jelenik az osztó osztáspontjában. Mivel ez egy 4-gyel osztó feszültségosztó, ezért a V_OUT 20 V-ra áll be, és ott is marad, mert ez egy analóg - valós idejű - rendszer, amely folyamatosan alkalmazkodik a változó körülményekhez. Voilá, van egy soros lineáris feszültség szabályozónk. (további részletek olvashatók a lineáris szabályozók működéséről a fent hivatkozott AN-1148 alkalmazási segédletben.) Nos, ez az egyszerű kialakítás nem tökéletes. A hibaerősítő sebessége véges, a feszültségreferencia nem tökéletes, a szabályozó kimenete nem nulla impedanciájú, ami a kimenő áram által modulált kimenő feszültséget eredményez, az összes szóban forgó alkatrész tulajdonságai bizonyos mértékig változnak a hőmérséklet változásával. Ezenkívül a szabályozó minden alkatrésze zajt kelt, ami hőmérséklet emelkedésével növekszik.

 

 

A „The Audio Amateur” 1980. évi 2. számában Mike Sulzer tette közzé ezt a feszültség szabályozó tervet:

Az NE5534 volt a legmenőbb új műveleti erősítő 1980-ban, ára körülbelül 13 dollár volt 2008-ban. Mára az NE5534 teljesen hétköznapi darab, és olcsón ( 1 Eur alatti áron beszerezhető). A műveleti erősítő ára nagyjából megegyezik az LM317 árával. Az alkatrészek azokon túl amit egy LM317-es áramkörhöz szükségesek (mondjuk, 3 kondenzátor és 2 ellenállás) nem kerülnek sokba, és a kapott teljesítménynek jobbnak kell lennie mint amit egy LM317 használatával elérhetnénk. Megbízható információk szerint az LM317-en belüli hibaerősítő a 741-es teljesítményéhez áll közelebb nem az NE5534-hez. Ahogy a hibaerősítő teljesítménye romlik, úgy csökken a szabályozó teljesítménye is. Egyesek manapság megvetéssel tekintenek vissza az NE5534-re, de még mindig mérföldekkel a 741-es előtt jár. Az eredeti cikkben sok hasznos információ található arról, hogy Sulzer hogyan tervezte és tesztelte a szabályozóját, ezért érdemes azt is elolvasni, ha Sulzer szabályozókat tervezünk.

 

 

A „The Audio Amateur”(TAA) 1981. 1. számában Sulzer közölte a cikk folytatását. Ez a cikk inkább olyan véletlenszerű ötletek gyűjteményének tűnik, amelyeket az építői kipróbálhatnak, nem pedig egy teljes kész terv, mint az első cikk. Mivel a későbbi változatok, amelyek jobban teljesítenek és nem bonyolultabbak, nem mutatok vázlatot a '81-es áramkörről.

A legfigyelemreméltóbb fejlesztés az előszabályozó. Az áteresztő tranzisztoron lévő feszültséget közel állandó értéken tartva javítva a teljesítményt. Egyúttal szükségtelenné válik az alul áteresztőszűrő a hibaerősítő V+ kivezetésén, amivel alkatrészeket takarít meg, és valószínűleg javítja a műveleti erősítő teljesítményét, mivel csökkenti a táp impedanciáját. Az 1980-as cikkben Sulzer (többek között) Jim Breakallnak mond köszönetet, aki segített a szabályozó tervezésében. A „The Audio Amateur” 1983. 1. számában Breakall és mások közzé tettek egy cikket egy mérés sorozatról, amelyben alapvetően Sulzer '81 áramkört vizsgálták. A kimeneti impedanciára összpontosítottak, és összehasonlították az új "Csináld magad" tervet az LM317 és LM340 áramkörökkel. Teszteltek néhány különböző műveleti erősítőt a szabályozóban. Ahogy sejteni lehetett, a Sulzer szabályozó a benne lévő 741-essel nagyjából ugyanúgy teljesített, mint az LM317, de egy jó műveleti erősítővel a Sulzer szabályozó jócskán felülmúlta az LM317-et. A paraméterek csak kis javulást mutattak az előszabályozó hozzáadásával. Messze nem akkorát, mint gondolták. Érdemes átnézni a cikkben a mérési eredményeket és módszereket. A "The Audio Amateur” 1987. 1. számában Jan Didden közzétesz néhány Sulzer-szabályozó variációt. 7818-at használ előszabályozóként és egy 7805-öt referenciaként, és jobb áteresztő tranzisztort használ, mint a Sulzer által használt általános célú tranzisztor. Érdekes cikk, de szerintem nem érdemes itt bemutatni.

 

 

Szintén az 1987. 1. számban jelentetett meg a termékeny tervező, Borbély Ernő egy mozgó tekercses előerősítőt Sulzer típusú szabályozott tápegységgel. Borbély nem részletezte a változtatásokat, valószínűleg azért, mert ez tényleg nem jelentős fejlesztés. Borbély változata leginkább egy jól átgondolt válogatás az addig fölmerült ötletek közül. A terv időtállónak bizonyult, érdemes megismerni

A legfigyelemreméltóbb javulás a Sulzer és a Breakall cikkekben szereplő ötletekhez képest az előszabályozó átgondoltabb kialakítása. Az egyetlen gondom a Borbély-féle kialakítással az LM336 "band-gap" feszültség referencia használata. A band-gap feszültség referenciáknál az a lényeg, hogy sokkal kisebb feszültségeséssel elkészíthetők, mint a zenerek, de zajosabbak, mint egy integrált zener típusú referencia. A jó minőségű hanghoz nincs szükségünk az alacsony feszültségre, ezért szerintem ésszerűbb egy LM329-es integrált zenert használni. Mindazonáltal a band-gap referencia még mindig előrelépés a normál zenerhez képest mind a zaj, mind a stabilitás tekintetében. Csak hát az integrált zener jobb, ha megengedhető a nagyobb feszültségesés.

 

 

Végül elérkezünk a Jung szabályozóhoz. A „The Audio Amateur” 1995 évi első két számában ismertette Jung az áramkörét, egyúttal nagyon részletes mérési eredményeket közölt összehasonlítva azt számos más lineáris feszültség szabályozóval. A 3. számban Jan Didden közzéteszi az áramkör NYÁK tervét, és ad néhány tanácsot a szabályozó áramkör alkalmazásához. A 4. számban pedig Gary Galo szubjektív teszteket végez a szabályozón, amelyet valódi áramkörök módosításaként használt, Jung és Didden által írt lábjegyzetekkel. Érdemes átnézni az említett cikkek közül legalább az első kettőt. A teljes négyes megismerése nagyon hasznos.

A Jung szabályozóban a főbb különbségek az eredeti Sulzer-konstrukcióhoz képest a következők:

• jobb áteresztő tranzisztor (D44H11)
• más az áteresztő tranzisztor meghajtása
• nincs előszabályozó
• jobb műveleti erősítő (AD797)
• védelem a műveleti erősítő bemenetén
• precíziós feszültség referencia ( LM329)
• távérzékelés

A Sulzer szabályozóban lévő hibaerősítő szabványos módon végzi a feszültség szabályozását. Változtatja a kimeneti áramát, ami megváltoztatja a feszültségesést az áteresztő tranzisztoron. A Jung szabályozó eltérő vezérlési mechanizmust használ. A Jung szabályozóban egy áramgenerátor (Q2 és a hozzá tartozó részek) szolgáltatja az áteresztő tranzisztor bázis áramát, és a hibaerősítő ebből annyit "nyel el", amennyi a kívánt kimeneti feszültség fenntartásához szükséges. (A műveleti erősítő kimenetéhez csatlakozó dióda miatt az opa csak áram nyelőként tud működni.) Két nagy előnye van ennek a megoldásnak. Először is, a CCS közvetetten egy ésszerű értékre korlátozza a szabályozó maximális kimeneti áramát. Egy zárlat a Sulzer szabályozó kimenetén valószínűleg tönkreteszi az áteresztő tranzisztort. Másodszor, mélyen A osztályba viszi a hibaerősítő kimeneti fokozatát, kiküszöbölve annak keresztezési torzítását normál működés közben. Az műveleti erősítő V+ kivezetésén van egy alul áteresztő szűrő, mint az eredeti Sulzer-konstrukcióban (R3, C2), de Jung szerint ez opcionális. Az embernek az a benyomása, hogy inkább csak az műveleti erősítő tápfeszültség elnyomás karakterisztikájától függ a használata. Aggodalomra ad okot, hogy a szűrő ellenállásán terhelés által modulált feszültségesés léphet fel, ami esetleg növeli a kimenő feszültség hullámosságát. A sorozat negyedik cikkében Gary Galo azt mondja, hogy hallott különbséget a szűrős és a szűrő nélküli verzió között, és azt mondja, hogy a szűrős verziót részesíti előnyben. Figyeljük meg, hogy az áteresztő tranzisztor kollektora közvetlenül a szabályozatlan tápbemenetre csatlakozik, nem pedig az alul áteresztő szűrő után, mint az eredeti Sulzer áramkörben. Ez alacsonyan tartja a nagy áramú út impedanciáját, és csökkenti a kimeneti áram hatását az műveleti erősítő tápfeszültségére. A hibaerősítő bemenetein lévő diódák megvédik azt a túlfeszültségtől. Egyes műveleti erősítőkben ugyan vannak ilyen bemeneti védő diódák, de még egy kis diszkrét dióda is sokkal nagyobb áramú, mint a chipben lévők. Ebben a cikk sorozatban néhány alkatrész elrendezési megfontolásra is felhívják a figyelmet. Önmagukban nem részei az áramkör tervezésének, de a tervezett megvalósítás részét képezik. (Alkalmazhatók a Sulzer-változatoknál is.) Először is, az R2 és R8 nem közvetlenül az áteresztő tranzisztor kimenetére csatlakozik mint a rajzon. Ehelyett egyszerűen csatlakoztassa őket egymáshoz, és helyezzen közéjük egy átkötést. Másodszor, két különböző föld rajzjelet használtam a kapcsolási rajzon. Mindegyik önálló föld potenciálú csillagpont. Az áteresztő tranzisztor kimenetének két vezetéke és az R2/R8 csomópont a terhelés pozitív oldalára megy. Ez lehetővé teszi a hibaérzékelő áramkör számára, hogy lássa az összes hibát, amely a szabályozó kimenete és a terhelés között keletkezik. Minden csillagpontból külön vezeték megy a terhelés negatív oldalára, így a vezérlő és érzékelő áramkörökből a földre jutó zaj csak a terhelés/érzékelés ponton keveredik, így a hibaerősítő ezeket a hibákat is képes szabályozni. Ha külön vezetéket használunk a vezérléstől és érzékeli a földelést a terheléshez, akkor a tápegység szabályozatlan részének földjét is csatlakoztassa a terhelés negatív oldalához, hogy elkerülje a földhurok kialakulását. Ügyelni kell arra is, hogy a távérzékelés veszélyes! Nagymértékben megnöveli a hibaerősítő visszacsatoló hurkának méretét, jelentős induktivitást és valószínűleg kapacitást is hozzáad a hosszú vezetékek miatt ebbe a hurokba. A távérzékelés használatakor figyelni kell a tápegység gerjedésére, különösen, ha a Jung által javasolt gyors műveleti erősítők alkalmazásakor. A sorozat negyedik cikke az gerjedés elhárításával kapcsolatos információkat tartalmaz.

Jung "Super Regulator" 2000

Az Audio Electronics (a TAA utódja) 4/2000-es számában Walt Jung közzétette szabályozójának új verzióját, amely számos fejlesztést tartalmaz az 1995-ös áramkörhöz képest:

Amennyire lehetséges, ugyanazokat a komponensneveket használtam, hogy megkönnyítsem az 1995-ös áramkörrel való összehasonlítást. Újra használom a C2 jelölést, mert valójában ugyanaz a kondenzátor a módosított Didden áramkörben, bár új szerepe van ebben az áramkörben. Minden más esetben az új komponensek új nevet kapnak. Az első dolog, amit észrevehető, az az LM317 előszabályzó, de erről később. Pillanatnyilag tegyünk úgy, mintha a bemenet közvetlenül a D1 elől érkezne. Sokkal fontosabb a hibaerősítő tápcsatlakozásának megváltoztatása. A V+ a tápegység kimenetéről származik . A hibaerősítő a szabályozó tiszta kimenetéről működik, nem pedig enyhén szűrt, szabályozatlan feszültségről. Nyilvánvaló, hogy ezzel a konfigurációval már nincs szükség R3-ra és C2-re. A C3-at is el kellett távolítani, mert a hibaerősítő V+ tápján már nem lehet átblokkoló film kondenzátort használni, mert az erősítő instabillá válik, ha a kimeneti kondenzátor impedanciája túl alacsony. A hibaerősítő kimenetén lévő dióda most egy 6,8 V-os zener. Ez segíti a szabályozó megbízható indulását. Nehéz helyzetekben szükség lehet rá az eredeti 1995-ös áramkörben is, de Jung szerint ebben az új áramkörben elengedhetetlen. Ha normál diódát használna, a hibaerősítő kimenete valószínűleg a negatív sín közelében reteszelődne bekapcsoláskor. Az áramkör most az AD825 műveleti erősítőt használja. Jung szerint az AD797-nek problémái voltak erős RFI-vel rendelkező környezetben, mivel érzékeny bemenetei reagáltak interferenciára, és instabillá teszik a hibaerősítőt. A FET bemenetű műveleti erősítők kevésbé érzékenyek erre a problémára. Az emitter-degenerált bipoláris bemenetű műveleti erősítők is működőképesek; Jung az AD817-et ajánlja. Általában gyors chipet ajánl erre a célra, jól terhelhető végfokkal. A meghajtó áramgenerátor árama alapértelmezetten csökkent. A D44H11 minimális h_FE értéke 60, tehát a minimális áramerősség ebben a beállításban körülbelül 330 mA. Ha negatív szabályozóhoz tükrözi az áramkört, akkor a D44H1 komplementerének a D45H11-nek minimális h_FE értéke 40, tehát a minimális kimenő áram valamivel több mint 225 mA. Nem érdemes növelni az áramkör kimeneti áramát ha nem szükséges, mert az csak feleslegesen terheli a hibaerősítő kimeneti fokozatát. A LED-et és soros ellenállását úgy módosították, hogy megfeleljenek Gary Galo ajánlásainak az 1995-ös sorozat 4. részében. Galo szerint ezek csökkentik a minimális feszültségesést. Jung említi a 2N2907 használatát a 2N5087 helyett, de nem említi a feszültség esést, bár Galo szerint ez is segített. És most az LM317 előszabályzó. Jung megvalósítása sokkal ötletesesebb, mint a Sulzer és Borbely által használt előszabályzó. Az LM317 lebegő kialakítású, Jung képes a szabályozót az áteresztő tranzisztor köré építeni, így az előszabályozó kimenete mindig meghatározott mértékkel lesz az áteresztő tranzisztor kimeneti feszültsége felett. A feltüntetett ellenállásértékek 2,3 V-os esést adnak az előszabályozón, aminek elég magasnak kell lennie ahhoz, hogy 1,5 A-rel  lehessen terhelni anélkül, hogy túlterhelődne. Az előszabályozó csökkenti a hullámzás mértékét, amelyet a hibaerősítőnek el kell távolítania, csökkenti az áramforráson keresztüli kis hibákat, és leveszi az áteresztő tranzisztorról a disszipálandó teljesítmény egy részét. Az előszabályozó egyetlen hátránya, hogy a kombinált szabályozó minimális feszültségesése 5 V környékére emelkedik . A cikk a Didden áramköri lapok módosításaként írja le a változtatásokat, ezért gyanítom, hogy az audioXpress által forgalmazott kártyák továbbra is az eredeti tervezésűek.

 

 

A fenti kapcsolási rajzok PDF formátumban (36 KB) letölthetőek. Sokkal jobban láthatóak, mint a fenti képek.

 

 

Walt Jung számos cikkének másolata megtalálható a webhelyén. Itt gyűjtötte össze a cikk témájához tartozókat . (Jung két köztes áramkört publikált az 1995-ös sorozat és a 2000-es csúcspont között.) Mint látható, Jung úr legalább 1974 óta gondolkodik ezen, és ebben lényegében ugyanazt az áramkört adja meg, mint az ős tipus a a cikk tetején. Mindazonáltal úgy gondolom, hogy az 1980-as Sulzer áramkör valóban új irányt indított a "Csináld magad" (DIY) tervezésében azáltal, hogy megtisztította a hibaerősítő bemeneti teljesítményét. Jeffrey Jenkins hasznos technikai segítséget nyújtott ehhez a cikkhez, amely az eredeti publikáció óta szerepel.