Eine Serie von High-End Spannungsreglern mit bipolarer Ausgangsstufe für den Spannungsbereich 12V bis 80V.

Der Ausgangswiderstand ist vieleicht der wichtigste Kennwert eines Spannungsregler für Verstärkerstufen.

Sein absoluter Wert beeinflusst die Größe der Modulation der Versorgungsspannung durch den Laststrom des Verstärkers, die ja über die nicht unendliche Versorgungsspannungsunterdrückung zur Rückwirkungen auf das Ausgangssignal des Verstärkers und damit des Klanges führt. Dazu wird über ihn auch der Anteil des Laststromes definiert der durch den Ladeelko am Ausgang des Reglers fließt. Wenn man also die Diskussion "Elna Silmic oder Elna Cerafine oder doch besser ...." leid ist, dann macht man einfach den Ausgangswiderstand des Reglers viel kleiner als den ESR eines Elkos und bestimmt die Klangeigenschaften durch die Linearität des Ausgangswiderstandes, also über die Oberwellenverteilung der durch den Signalstrom modulierten Versorgungsspannung.

Da es ja ein Design-Ziel war von den Eigenschaften der Elkos -z:.B. dessen Verzerrungsverhalten - unabhängig zu werden und den Einfluss der Spannungsregler auf die Klangeigenschaften des Verstärkers reproduzierbar aus der Schaltungstechnik abzuleiten, ist der Ausgangswiderstand extrem niederohmig ausgelegt. Im Audiofrequenzbereich von ca. 1Hz bis 20kHz liegt er unter 1 mOhm und bei 1Mhz noch unter 15 mOhm. Damit liegt er deutlich unter dem ESR eines für solche Aufgaben optimalen Elkos.

Die Linearität des Ausgangswiderstandes ist die zweite wichtige Größe. Hier entscheidet sich wie sich ein sinusförmiger Laststrom in eine störende Spannung Umsetzt. Mit einem THD im Audiobereich von ca. 0.04% bei einer absolutem Impedanz von ca. 1mOhm haben wir hier eine Art Super-Elko vor uns, da zudem die Harmonischen "weich" verteilt sind.

Ersetzt mal einen 78xx oder eurem LMxxx durch einen solchen Regler. Man glaubt ja nicht wie gut (na ja) selbst ein integrierter Operationsverstärker klingen kann.

Wieso dann also noch ein Elko am Ausgang des Spannungsreglers? Er ist zusammen mit dem Längswiderstand des Treibertransistors für die Frequenzgangkompensation und damit für die Stabilität des Reglers notwendig. Und weil er trotz des oben gesagten noch einen, wenn auch geringen Einfluss auf den Klang hat, heißt echtes High-End (gut genug reicht nicht) dass hier natürlich nicht der letzte Schrott eingebaut werden kann. Wer es sich leisten kann nimmt hier trotzdem einen guten ELNA oder ähnliches.

 

Schaltplan Spannungsregler VRHB

Der Spannungsregler besteht im Kern aus einem minimalisierten Operationsverstärker mit einen Differenzverstärker (Q4,Q5), der über eine Kaskode (Q6,Q7) auf eine Stromquelle (Q3,R4) arbeitet. Mit dieser Stufe wird auch die Spannungsverstärkung erzeugt. Die Ausgangstufe besteht aus einer diskreten Darlingtonstufe (Q8,Q9). R8 und C4 zur LAG-Kompensation der Ringverstärkung wurde in meinen Aufbauten nie benötigt.

Die Referenzspannung wir von einer Z-Diode (D4) erzeugt, die ihrem Strom aus einer Stromquelle (Q2,R3) bekommt. Auch die Referenz dieser Stromquelle (D1) wird wiederum von einer Stromquelle (Q1,R1) gespeist. So entsteht die breitbandige Versorgungsspannungsunterdrückung. Nach einem Tiefpassfilter (R6,C3) wird die Referenz auf den positiven Eingang unseres OP's geschaltet

Die Gegenkopplung vom Ausgang auf den negativen Eingang des OP's wird über den Spannungsteiler R11,R12,R13 realisiert. Die gezeigte Dimensionierung ist für eine Ausgangsspannung von 50V ausgelegt.

VReg HVB schematic

Für negative Spannungen müssen alle NPN durch PNP und vice versa ersetzt werden, alle Dioden und Kondensatoren mit vertauschter Polarität verbaut werden.

 

VRHB Stückliste 

reference part positive part negative 12V 15V 18V 24V 50V
Q1 BC546b BC556b
Q2 BC556b BC546b
Q3 BC556b BC546b
Q4 BC546b BC556b
Q5 BC546b BC556b
Q6 BC546b BC556b
Q7 BC546b BC556b
Q8 BC546b BC556b
Q9 BD139-16 BD140-16
D1 LED red LED red
D2  BZX84C10V  BZX84C13V  BZX84C16V  BZX84C20V BZX84C33V
D3  BZX84C4V7  BZX84C4V7  BZX84C4V7  BZX84C5V6 BZX84C11V
D4  BZX84C6V8  BZX84C8V2  BZX84C10V  BZX84C15V BZX84C33V
D5 1N4001 1N4001
D6 1N4148 1N4148
C1 47u/25V 47u/25V
C2 22u/63V 22u/63V
C3 22u/63V 22u/63V
C4  nn  nn
C5 22u/63V 22u/63V
R1  3,00k 3,30k  4.30k  6,80k 15,0k
R2  4,70k 4,70k 
R3 510 510
R4 510 510
R5 10,0k 10,0k
R6 10,0k 10,0k
R7 1.50k   1,80k  2.20k  3,60k 8,20k
R8 nn  nn 
R9 510   510
R10 10  10 
R11 4,70k  4,70k  6,80k  8,20k 15,0k
R12 adjust adjust 1,00k  1,00k  1,20k  1,00k 2,20k
R13 6,80k  6,80k  10,0k  15,0k

33,0k

Datenblatt VRHB

min.

typ.

max.

input voltage range

V

Ua + 3,5

Ua + 20V

output impedance

mOhm

1Hz - 20kHz, Ua=50V, Ia,dc=50mA

1

output impedance nonlinearity

%

1mA 1kHz, Ua=50V, Ia,dc=50mA

0.039

dc power supply rejection

mV/V

0.4

ac power supply rejection

mV/V

20Hz - 20kHz

0.03

 

distortion DC50mA AC1mA distortion vout (iload,dc=50mA, iload,ac=1mA f=1kHz)
 ouputimpedance

output impedance over frequ. (0dB = 1Ohm),

vout = 50V, vin= 60V, iload, dc=50mA

PowerSupplyRejection

power supply rejection (dB) over frequency (Hz)

VRH-B-x-xx abgleichen

Da die Toleranzen der Z-Dioden relativ groß sind, sollte eine Abgleich der Ausgangsspannung erfolgen. Was dafür benötigt wird sehen wir auf dem Bild unten. Neben einem Versuchaufbau (hier die obere Leiterplatte) brauchen wir natürlich die bestückte Leiterplatte ohne R12, ein Trimmpotentiometer mit ca. dem doppelten Wert von R12 und den Ausgangstransistor Q9 auf eine dreipolige Buchsenleiste gelötet.

Abgleich1

Das Trimmpotentiometer in Mittelstellung steckt man mit der Stiftleiste in die Bohrungen von R12 und Q9 auf seine Stiftleiste (man kann ihn natürlich auch anlöten) und schaltet die Eingangsspannung ein. Wenn man nichts falsch gemacht hat, sollte ungefähr die erwartete Ausgangsspannung am Ausgang anstehen. Mit dem Trimmer wird nun die Spannung auf den richtigen Wert gebracht. Spannung ausschalten, Trimmer raus, Wert messen und R12 mit einem Widerstand möglichst nahe am Widerstand des Trimmers auf die LP löten. Alles noch mal testen.

Abgleich2

Ist alles in Ordnung, kann Q9 endgültig auf seinem Kühlkörper montiert werden.

Abgleich3

R